JP2007523460A - Micro structure and manufacturing method thereof - Google Patents

Micro structure and manufacturing method thereof Download PDF

Info

Publication number
JP2007523460A
JP2007523460A JP2006554212A JP2006554212A JP2007523460A JP 2007523460 A JP2007523460 A JP 2007523460A JP 2006554212 A JP2006554212 A JP 2006554212A JP 2006554212 A JP2006554212 A JP 2006554212A JP 2007523460 A JP2007523460 A JP 2007523460A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
fuel cell
catalyst layer
current collector
micro fuel
membrane
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
JP2006554212A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
コール ポール
ダブリュー モーレ クリストファー
リ ジュン
タリス ジャスティン
Original Assignee
ジョージア テク リサーチ コーポレイション
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ジョージア テク リサーチ コーポレイション filed Critical ジョージア テク リサーチ コーポレイション
Publication of JP2007523460A publication Critical patent/JP2007523460A/en
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1016Fuel cells with solid electrolytes characterised by the electrolyte material
    • H01M8/1018Polymeric electrolyte materials
    • H01M8/1041Polymer electrolyte composites, mixtures or blends
    • H01M8/1044Mixtures of polymers, of which at least one is ionically conductive
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02Details
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/86Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/88Processes of manufacture
    • H01M4/8803Supports for the deposition of the catalytic active composition
    • H01M4/881Electrolytic membranes
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/86Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/88Processes of manufacture
    • H01M4/8803Supports for the deposition of the catalytic active composition
    • H01M4/8814Temporary supports, e.g. decal
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/86Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/88Processes of manufacture
    • H01M4/8825Methods for deposition of the catalytic active composition
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/86Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/88Processes of manufacture
    • H01M4/8878Treatment steps after deposition of the catalytic active composition or after shaping of the electrode being free-standing body
    • H01M4/8892Impregnation or coating of the catalyst layer, e.g. by an ionomer
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10Fuel cells with solid electrolytes
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1016Fuel cells with solid electrolytes characterised by the electrolyte material
    • H01M8/1018Polymeric electrolyte materials
    • H01M8/102Polymeric electrolyte materials characterised by the chemical structure of the main chain of the ion-conducting polymer
    • H01M8/1023Polymeric electrolyte materials characterised by the chemical structure of the main chain of the ion-conducting polymer having only carbon, e.g. polyarylenes, polystyrenes or polybutadiene-styrenes
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1016Fuel cells with solid electrolytes characterised by the electrolyte material
    • H01M8/1018Polymeric electrolyte materials
    • H01M8/102Polymeric electrolyte materials characterised by the chemical structure of the main chain of the ion-conducting polymer
    • H01M8/103Polymeric electrolyte materials characterised by the chemical structure of the main chain of the ion-conducting polymer having nitrogen, e.g. sulfonated polybenzimidazoles [S-PBI], polybenzimidazoles with phosphoric acid, sulfonated polyamides [S-PA] or sulfonated polyphosphazenes [S-PPh]
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1016Fuel cells with solid electrolytes characterised by the electrolyte material
    • H01M8/1018Polymeric electrolyte materials
    • H01M8/1039Polymeric electrolyte materials halogenated, e.g. sulfonated polyvinylidene fluorides
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1097Fuel cells applied on a support, e.g. miniature fuel cells deposited on silica supports
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2300/00Electrolytes
    • H01M2300/0088Composites
    • H01M2300/0094Composites in the form of layered products, e.g. coatings
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/86Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/88Processes of manufacture
    • H01M4/8817Treatment of supports before application of the catalytic active composition
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/86Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/88Processes of manufacture
    • H01M4/8825Methods for deposition of the catalytic active composition
    • H01M4/8867Vapour deposition
    • H01M4/8871Sputtering
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1004Fuel cells with solid electrolytes characterised by membrane-electrode assemblies [MEA]
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1009Fuel cells with solid electrolytes with one of the reactants being liquid, solid or liquid-charged
    • H01M8/1011Direct alcohol fuel cells [DAFC], e.g. direct methanol fuel cells [DMFC]
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Abstract

燃料電池、燃料電池膜、微小燃料電池及びこれらの製造方法を開示する。特に代表的な燃料電池は、有機伝導材料や無機伝導材料やこれらの組合せといった材料を含む膜を有する。この膜の厚さは約0.01〜10μmであり、面積抵抗は約0.1〜1000Ωcm2である。  Disclosed are a fuel cell, a fuel cell membrane, a micro fuel cell, and a method for producing them. Particularly typical fuel cells have a membrane containing materials such as organic conductive materials, inorganic conductive materials, and combinations thereof. The thickness of this film is about 0.01 to 10 μm, and the sheet resistance is about 0.1 to 1000 Ωcm 2.

Description

関連する出願に基づく優先権の主張
本出願は、2004年2月19日に出願した同時係属の米国仮特許出願第60/545,772号(発明の名称「Thin-Film Membranes For Fuel Cells」に基づく優先権を主張するものである。本願明細書中には、上記出願の内容の全体を参考として組み込んでいる。
Priority claim based on related applications This application is filed in co-pending US Provisional Patent Application No. 60 / 545,772 filed Feb. 19, 2004 (invention entitled “Thin-Film Brains For Fuel Cells”). The entire contents of the above application are incorporated herein by reference.

連邦政府の後援による研究又は開発であることの宣誓
米国政府は、この発明の一括払いライセンスを有するものとし、所定の状況では、米国政府のDARPA(グラント#F33615−01−1−2173)により定められるMDA条項に基づき、特許権者に対して他者へ合理的な期間に亘るライセンス契約を締結するよう求めることができる。
Federal Government-sponsored research or development oath The US government shall have a lump sum license for this invention and, in certain circumstances, as determined by the US government DARPA (Grant # F33615-011-21-2173) Based on the MDA clause, the patentee can be asked to enter into a license agreement over a reasonable period of time to the other.

技術分野
本発明は、広くは燃料電池に関連するものであり、より詳細には、燃料電池膜及び微小燃料電池、並びに燃料電池膜及び微小燃料電池の製造方法に関するものである。
TECHNICAL FIELD The present invention relates generally to fuel cells, and more particularly to fuel cell membranes and micro fuel cells, and methods of manufacturing fuel cell membranes and micro fuel cells.

背景
移動通信用装置、マイクロセンサ、微小電気機械システム(MEMS)及びマイクロフルイディスク装置といった携帯型電子装置は、エネルギ貯蔵技術の進歩による恩恵を受ける。エネルギ密度がより高く価格の安い電源が利用可能になることにより、用途及び機能をより幅広いものとすることができる。考えられる高エネルギ密度の電源の一つが燃料電池である。
Background Portable electronic devices such as mobile communication devices, microsensors, microelectromechanical systems (MEMS), and microfluidic disk devices benefit from advances in energy storage technology. With the availability of power sources with higher energy density and lower prices, applications and functions can be broadened. One possible high energy density power source is a fuel cell.

所要電力が小さい電子装置のために、燃料電池を含む微小形成電源の研究が進められている。考慮すべき問題として、寸法及び重量を低減させることや、相互接続をより少なくして信号整合性を改善することや、処理効率を増大させることや、費用を安価にすることが挙げられる。   For electronic devices with low power requirements, research on microfabricated power sources including fuel cells is ongoing. Issues to consider include reducing size and weight, improving interconnect integrity with fewer interconnects, increasing processing efficiency, and lowering costs.

このような装置用微小燃料電池の燃料には、水素、メタノール及びその他の炭化水素(例えばエチレングリコール又は蟻酸)がある。水素燃料電池及び直接反応方式燃料電池(DMFC)は、比較的低温(例えば周囲温度〜120℃)で動作する。これらの燃料電池は、アノードからカソードまでプロトンを移送するために固体プロトン交換膜(PEM)を使用している。水素は、加圧ガスとして、又は金属水素化物の形態で貯蔵しておくことができる。この場合、膜の伝導率を高めるために加湿を行う必要がある。   Examples of the fuel for the device micro fuel cell include hydrogen, methanol, and other hydrocarbons (for example, ethylene glycol or formic acid). Hydrogen fuel cells and direct reaction fuel cells (DMFC) operate at relatively low temperatures (eg, ambient temperature to 120 ° C.). These fuel cells use a solid proton exchange membrane (PEM) to transfer protons from the anode to the cathode. Hydrogen can be stored as a pressurized gas or in the form of a metal hydride. In this case, it is necessary to perform humidification to increase the conductivity of the film.

メタノール−水混合物は、アノードにおいて液体又は蒸気のいずれの形態でも酸化させることもできる。メタノールは、液体として貯蔵することができ、安価であり、比エネルギーが高いため魅力的な燃料である。液体供給型DMFCは、他の燃料電池システムと比べて比較的簡単なもので容易に小型化することができる。その理由は、このようなDMFCは、燃料改質器を必要せず、複雑な加湿器又は熱管理システムを要しないからである。また、メタノールは、リチウムポリマー電池及びリチウムイオンポリマー電池と比べて高いエネルギ密度を有する。   The methanol-water mixture can be oxidized at the anode in either liquid or vapor form. Methanol is an attractive fuel because it can be stored as a liquid, is inexpensive, and has a high specific energy. The liquid supply type DMFC is relatively simple compared to other fuel cell systems and can be easily downsized. The reason is that such a DMFC does not require a fuel reformer and does not require a complex humidifier or thermal management system. In addition, methanol has a higher energy density than lithium polymer batteries and lithium ion polymer batteries.

プロトン交換膜は、水素又はメタノールのいずれにより動作する低温燃料電池にも使用することができる。従来の燃料電池における固体プロトン交換膜は、たいていナフィオン(商標名)のような非スルホン酸部分で終端する側鎖を有する過フッ素化重合体である。PEM燃料電池の膜は、一般に伝導率を高く保つために水を含むようにする。メタノールが膜を通過してしまうと、混成電位が発生して酸素還元反応の作用が損なわれ、パフォーマンスが悪くなってしまう。従って、当該技術分野では上述した欠点の少なくとも幾つかを解消する必要がある。   Proton exchange membranes can also be used in low temperature fuel cells that operate with either hydrogen or methanol. The solid proton exchange membrane in conventional fuel cells is usually a perfluorinated polymer with side chains terminating in a non-sulfonic acid moiety such as Nafion ™. The membrane of a PEM fuel cell generally contains water to keep the conductivity high. If methanol passes through the membrane, a mixed potential is generated, the action of the oxygen reduction reaction is impaired, and the performance deteriorates. Accordingly, there is a need in the art to eliminate at least some of the shortcomings described above.

発明の概要
簡単に説明すると、本明細書には、燃料電池、燃料電池膜、微小燃料電池及びこれら各々の製造方法が記載されている。この中で特に代表的な燃料電池は、有機伝導材料や無機伝導材料やこれらの組合せといった材料を具える膜を有する。膜の厚さは約0.01〜10μmであり、面積抵抗は約0.1〜1000Ωcmである。
Brief Description of the Invention Briefly described, the present specification describes a fuel cell, a fuel cell membrane, a micro fuel cell, and a method of manufacturing each of these. Among them, a typical fuel cell has a membrane including a material such as an organic conductive material, an inorganic conductive material, or a combination thereof. The thickness of the film is about 0.01 to 10 μm, and the sheet resistance is about 0.1 to 1000 Ωcm 2 .

特に代表的な微小燃料電池は、アノード電流コレクタの配置された基板と、このアノード電流コレクタ上に配置された膜であって、この膜が、二酸化ケイ素、ドープした二酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸窒化ケイ素、金属酸化物、金属窒化物、金属酸窒化物及びこれらの組合せから選択した材料を含んでおり、この膜の厚さが約0.01〜10μmであり、この膜の面積抵抗が約0.1〜1000Ωcmである当該膜と、前記基板の一部と前記膜の一部とにより実質的に画成される中空チャンネルであって、少なくとも1層の触媒層がチャネルに露出されており、前記アノード電流コレクタが、前記チャネルに隣接して配置されている当該中空チャネルと、前記膜の、前記基板の側と反対側に配置されたカソード電流コレクタとを有する微小燃料電池であって、前記触媒層及び前記アノード電流コレクタ間に導電経路が存在している燃料電池。 A particularly typical micro fuel cell is a substrate on which an anode current collector is disposed and a film disposed on the anode current collector, the film comprising silicon dioxide, doped silicon dioxide, silicon nitride, oxynitriding. A material selected from silicon, metal oxides, metal nitrides, metal oxynitrides and combinations thereof, the thickness of the film is about 0.01 to 10 μm, and the area resistance of the film is about 0; A hollow channel substantially defined by the membrane of 1 to 1000 Ωcm 2 , a portion of the substrate and a portion of the membrane, wherein at least one catalyst layer is exposed to the channel The anode current collector is a microchannel having the hollow channel disposed adjacent to the channel, and a cathode current collector disposed on the opposite side of the membrane from the substrate side. A charge batteries, fuel cells conductive path is present between the catalyst layer and the anode current collector.

微小燃料電池の製造方法も提供する。特に代表的な微小燃料電池の製造方法は、アノード電流コレクタが配置された基板を設ける工程と、前記基板及び前記アノード電流コレクタ上へ犠牲ポリマー層を配置する工程と、前記アノード電流コレクタ上に配置されてない部分の犠牲材料を除去し、犠牲材料部を形成する工程と、この犠牲材料部上に第1多孔性触媒層を配置する工程と、前記犠牲材料部と前記第1多孔性触媒層と前記アノード電流コレクタとの上に膜材料の層を配置する工程と、前記犠牲材料部を除去して、前記基板と、前記膜材料と、前記第1多孔性触媒層とにより実質的に画成される中空チャンネルを形成する工程とを有する。前記膜材料には、二酸化ケイ素、ドープした二酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸窒化ケイ素、金属酸化物、金属窒化物、金属酸窒化物及びこれらの組合せから選択した材料を含まれる。   A method for manufacturing a micro fuel cell is also provided. In particular, a typical method for manufacturing a micro fuel cell includes a step of providing a substrate on which an anode current collector is arranged, a step of arranging a sacrificial polymer layer on the substrate and the anode current collector, and an arrangement on the anode current collector. Removing a sacrificial material in a portion not formed, forming a sacrificial material portion, disposing a first porous catalyst layer on the sacrificial material portion, the sacrificial material portion and the first porous catalyst layer; And a step of disposing a layer of membrane material over the anode current collector, removing the sacrificial material portion, and substantially defining the substrate, the membrane material, and the first porous catalyst layer. Forming a hollow channel formed. The film material includes a material selected from silicon dioxide, doped silicon dioxide, silicon nitride, silicon oxynitride, metal oxide, metal nitride, metal oxynitride, and combinations thereof.

他の特に代表的な製造方法は、アノード電流コレクタが配置された基板を設ける工程と、前記基板及び前記アノード電流コレクタ上へ犠牲ポリマー層を配置する工程と、前記アノード電流コレクタ上に配置されてない部分の犠牲ポリマー材料を除去し、犠牲材料部を形成する工程と、この犠牲材料部上に第1多孔性触媒層を配置する工程と、前記犠牲材料部と、前記第1多孔性触媒層と、前記アノード電流コレクタとの上に膜材料の層を配置する工程であって、前記膜材料が、二酸化ケイ素、ドープした二酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸窒化ケイ素、金属酸化物、金属窒化物、金属酸窒化物及びこれらの組合せを含むようにする当該工程と、前記犠牲材料部を除去して、前記基板と、前記膜材料と、前記第1多孔性触媒層とにより実質的に画成される中空チャンネルを形成する工程とを有する。   Another particularly representative manufacturing method includes providing a substrate having an anode current collector disposed thereon, disposing a sacrificial polymer layer on the substrate and the anode current collector, and disposing the substrate on the anode current collector. Removing a sacrificial polymer material in a portion that is not present, forming a sacrificial material portion, disposing a first porous catalyst layer on the sacrificial material portion, the sacrificial material portion, and the first porous catalyst layer And a layer of film material overlying the anode current collector, the film material comprising silicon dioxide, doped silicon dioxide, silicon nitride, silicon oxynitride, metal oxide, metal nitride, The step of including a metal oxynitride and a combination thereof, and removing the sacrificial material portion to substantially define the substrate, the membrane material, and the first porous catalyst layer. And a step of forming a hollow channels.

更に他の代表的な製造方法は、アノード電流コレクタ及び触媒層が配置された基板であって、前記アノード電流コレクタ及び前記触媒層が互いに隣接した基板を設ける工程と、前記基板、前記アノード電流コレクタ及び前記触媒層上へ犠牲ポリマー層を配置する工程と、前記アノード電流コレクタ上に配置されてない部分の犠牲ポリマー材料を除去し、前記触媒層上に犠牲材料部を形成する工程と、前記犠牲材料部及び前記アノード電流コレクタ上に膜材料の層を配置する工程であって、前記膜材料が、二酸化ケイ素、ドープした二酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸窒化ケイ素、金属酸化物、金属窒化物、金属酸窒化物及びこれらの組合せを含むようにする当該工程と、前記犠牲材料部分を除去して、前記基板と、前記膜材料と、前記触媒層とにより実質的に画成される中空チャンネルを形成する工程とを有する。   Still another typical manufacturing method includes a step of providing a substrate on which an anode current collector and a catalyst layer are disposed, the anode current collector and the catalyst layer being adjacent to each other, and the substrate, the anode current collector. And a step of disposing a sacrificial polymer layer on the catalyst layer; removing a portion of the sacrificial polymer material not disposed on the anode current collector to form a sacrificial material portion on the catalyst layer; and Disposing a layer of film material over a material portion and the anode current collector, wherein the film material is silicon dioxide, doped silicon dioxide, silicon nitride, silicon oxynitride, metal oxide, metal nitride, metal Removing the sacrificial material portion to include the oxynitride and a combination thereof, and removing the sacrificial material portion into the substrate, the film material, and the catalyst layer. Ri and a step of forming a hollow channel substantially as picture made.

その他の構造体、システム、方法、特徴及び利点は、図面及び詳述な説明を参照することにより当業者に明らかになるであろう。このような追加的な構造、システム、方法、特徴及び利点は全て、本発明の範囲内にあり且つ特許請求の範囲の記載に基づき保護されることを意図するものである。   Other structures, systems, methods, features and advantages will become apparent to those skilled in the art by reference to the drawings and detailed description. All such additional structures, systems, methods, features and advantages are intended to be within the scope of the present invention and protected by the following claims.

本発明の多くの観点は、図面を参照することによりよく理解することができる。図面中の構成要素は必ずしも寸法に比例して描かれておらず、代わりに本発明の原理が明確に示されるような強調が施してある。さらに、複数の図面を通じて、対応する部分は同じ参照符号により示してある。   Many aspects of the invention can be better understood with reference to the drawings. The components in the drawings are not necessarily drawn to scale, emphasis instead being placed upon clearly illustrating the principles of the invention. Moreover, corresponding parts are designated by the same reference numerals throughout the several views.

詳細な説明
燃料電池膜、微小燃料電池及びこれらの製造方法を一般的に開示する。本発明の実施例における燃料電池膜は、二酸化ケイ素及びドープした二酸化ケイ素の双方又はいずれか一方から形成されており、比較的薄肉で、厚肉のポリマー膜に匹敵する面積抵抗を有している。膜を薄肉にする程、プロトンを通過させやすくなるため、発生させうる電流量を増大させることができる。また、これら膜を形成するのに使用する材料は、現在使用されているプロトン交換膜(PEM)と比べて、特に直接反応方式の燃料電池の共通する問題点である反応物の膜通過の防止という点において優れている。更に、これら膜は、微小電子装置に関する周知の製造技術を用いて製造することができる。この点より、膜は、燃料電池の使用を想定している微小電子装置の構造体上に製造することができる。
DETAILED DESCRIPTION Fuel cell membranes, micro fuel cells, and methods of manufacturing the same are generally disclosed. The fuel cell membrane in the embodiment of the present invention is formed from silicon dioxide and / or doped silicon dioxide, and has a relatively thin and sheet resistance comparable to a thick polymer membrane. . The thinner the membrane, the easier it is for protons to pass through, so the amount of current that can be generated can be increased. In addition, the materials used to form these membranes, compared with currently used proton exchange membranes (PEMs), prevent the passage of reactants through the membrane, which is a common problem of direct reaction fuel cells. It is excellent in that point. Furthermore, these films can be manufactured using well-known manufacturing techniques for microelectronic devices. In this respect, the membrane can be manufactured on the structure of a microelectronic device intended for use in fuel cells.

一例においては、燃料電池膜及び微小燃料電池を電子装置に直接一体化することができる。例えば、燃料電池膜及び微小燃料電池は、燃料電池膜又は微小燃料電池をチップに配置することにより、燃料電池膜又は微小燃料電池を基板又はプリント基板に一体化することにより、及び、燃料電池膜又は微小燃料電池をチップに結合する独立した部分としてチップに介在又は装着することにより、一体化することができる。   In one example, the fuel cell membrane and the micro fuel cell can be directly integrated into the electronic device. For example, the fuel cell membrane and the micro fuel cell are arranged by arranging the fuel cell membrane or the micro fuel cell on a chip, integrating the fuel cell membrane or the micro fuel cell on a substrate or a printed circuit board, and the fuel cell membrane. Alternatively, they can be integrated by interposing or mounting the micro fuel cell on the chip as an independent part coupled to the chip.

一般に、燃料電池膜及び微小燃料電池を利用することができる技術分野には、微小電子装置(例えばマイクロプロセッサチップ、通信チップ及び光電子チップ)や、微小電気機械システム(MEMS)や、マイクロフルイディクスや、センサや、分析装置(例えばマイクロクロマトグラフィ)や、通信/位置決め装置(例えばビーコン及びGPSシステム)や、記録装置などがあるが、これらに限定されるものではない。   In general, technical fields in which fuel cell membranes and micro fuel cells can be used include microelectronic devices (for example, microprocessor chips, communication chips and optoelectronic chips), microelectromechanical systems (MEMS), microfluidics, , Sensors, analyzers (eg, microchromatography), communication / positioning devices (eg, beacons and GPS systems), and recording devices, but are not limited thereto.

図1は、代表的な燃料電池膜10aの断面図である。この燃料電池膜10aは膜12(即ち膜層)を有し、この膜12の両側には触媒層14a及び14bが配置されている。図1に示すように、燃料(例えば、H、メタノール、蟻酸、エチレングリコール、エタノール及びこれらの組合せ)は、燃料電池膜10aの一方の側(例えば、膜のアノード側(図示せず))に接触し、これに対し、空気はこの燃料電池膜10aの反対側に接触する(例えば膜のカソード側(図示せず))。例えば、メタノールを使用した場合、燃料電池膜のアノード側及びカソード側のそれぞれにおいて以下の反応が起こる。
O→CO+6H+6e
3/2O+6H+6e→3H
FIG. 1 is a cross-sectional view of a typical fuel cell membrane 10a. The fuel cell membrane 10a has a membrane 12 (that is, a membrane layer), and catalyst layers 14a and 14b are disposed on both sides of the membrane 12. As shown in FIG. 1, the fuel (eg, H 2 , methanol, formic acid, ethylene glycol, ethanol, and combinations thereof) is one side of the fuel cell membrane 10a (eg, the anode side of the membrane (not shown)). In contrast, air contacts the opposite side of the fuel cell membrane 10a (eg, the cathode side of the membrane (not shown)). For example, when methanol is used, the following reaction occurs on each of the anode side and the cathode side of the fuel cell membrane.
H 2 O → CO 2 + 6H + + 6e
3 / 2O 2 + 6H + + 6e → 3H 2 O

この膜は、有機伝導材料及び無機伝導材料のような材料を含むものとしうるが、これに限定されるものではない。膜に含ませ得る材料には、例えば、二酸化ケイ素、ドープした二酸化ケイ素、窒化ケイ素、ドープした窒化ケイ素、酸窒化ケイ素、ドープした酸窒化ケイ素、金属酸化物(例えば酸化チタン、酸化タングステン)、金属窒化物(例えば窒化チタン)、ドープした金属酸化物、金属酸窒化物(例えば酸窒化チタン)、ドープした金属酸窒化物及びこれらの組合せがあるが、これに限定されるものではない。一般に、膜は、当該膜中で約0.1〜20%となるドーパントにより、約0.1〜5%となるドーパントによりドープすることができる。   This film may include materials such as organic conductive materials and inorganic conductive materials, but is not limited thereto. Materials that can be included in the film include, for example, silicon dioxide, doped silicon dioxide, silicon nitride, doped silicon nitride, silicon oxynitride, doped silicon oxynitride, metal oxides (eg, titanium oxide, tungsten oxide), metal There are, but are not limited to, nitrides (eg titanium nitride), doped metal oxides, metal oxynitrides (eg titanium oxynitride), doped metal oxynitrides and combinations thereof. Generally, the film can be doped with about 0.1-20% dopant in the film with about 0.1-5% dopant.

ドープした二酸化ケイ素としては、リンをドープした二酸化ケイ素や、ホウ素をドープした二酸化ケイ素や、アルミニウムをドープした二酸化ケイ素や、ヒ素をドープした二酸化ケイ素や、これらの組合せがありうるが、これに限定されるものではない。一般に、ドーピングにより、M−OH(Mは金属である)のような原子スケールの欠陥が生じて格子が歪むため、ここを通ってプロトンを移送することができる。ドーピング量は、膜中のドーパントが0.1〜20重量%となるように、膜中のドーパントが0.5〜10重量%となるように、膜中のドーパントが2〜5重量%となるようにすることができる。   Doped silicon dioxide can include, but is not limited to, phosphorus-doped silicon dioxide, boron-doped silicon dioxide, aluminum-doped silicon dioxide, arsenic-doped silicon dioxide, and combinations thereof. Is not to be done. In general, doping causes atomic scale defects such as M-OH (M is a metal), which distorts the lattice and allows protons to be transported therethrough. The doping amount is 2 to 5% by weight of the dopant in the film so that the dopant in the film is 0.5 to 10% by weight so that the dopant in the film is 0.1 to 20% by weight. Can be.

膜12の厚さは、約10μm以下であり、約0.01〜10μm、約0.1〜5μm、約0.1〜2μm、約0.5〜1.5μm及び約1μmである。膜12の長さは、約0.001m〜100mとすることができ、、膜12の幅は、約1μm〜1000μmとすることができる。膜の長さ及び幅は用途に応じたものであるため、それに従って調整しうることに留意されたい。   The thickness of the film 12 is about 10 μm or less, and is about 0.01 to 10 μm, about 0.1 to 5 μm, about 0.1 to 2 μm, about 0.5 to 1.5 μm, and about 1 μm. The length of the film 12 can be about 0.001 m to 100 m, and the width of the film 12 can be about 1 μm to 1000 μm. Note that the length and width of the membrane is application dependent and can be adjusted accordingly.

膜12の面積抵抗は、約0.1〜1000Ωcm2 、約0.1〜100Ωcm2 、約0.1〜10Ωcm2 、約1〜100Ωcm2 及び約1〜10Ωcm2 である。面積抵抗とは、燃料に露出された領域の膜を跨ぐ抵抗(例えば、抵抗×面積又は抵抗×厚さ)として定義される。 Sheet resistance of the film 12 is about 0.1~1000Omucm 2, about 0.1 to 100 2, about 0.1~10Omucm 2, about 1~100Omucm 2 and about 1~10Ωcm 2. The area resistance is defined as a resistance (for example, resistance × area or resistance × thickness) straddling a film in a region exposed to fuel.

膜12は、スピンコーティング、プラズマ加速化学気相堆積(PECVD)、スクリーン印刷、ドクタプレード、スプレーコーティング、ローラーコーティング、メニスカスコーティング及びこれらの組合せを用いて形成することができるが、これに限定されるものではない。   The film 12 can be formed using, but not limited to, spin coating, plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD), screen printing, doctor blade, spray coating, roller coating, meniscus coating, and combinations thereof. is not.

触媒層14a及び14bには、プラチナ、プラチナ/ルテニウム、ニッケル、パラジウム、これらの合金及びこれら各々の組合せのような触媒を含ませることができるが、これに限定されるものではない。一般に、燃料が水素である例ではプラチナ触媒を使用し、燃料がメタノールである他の例では、プラチナ/ルテニウム触媒か使用する。これら触媒層14a及び14bには、同じ触媒を含ませてもよいし、異なる触媒を含ませてもよい。これら触媒層14a及び14bは代表的には多孔性触媒層として、プロトンがこの多孔性触媒層を通過しうるようにする。更に、触媒層及びアノード電流コレクタ間には導電経路が存在する。   Catalyst layers 14a and 14b can include, but are not limited to, catalysts such as platinum, platinum / ruthenium, nickel, palladium, alloys thereof, and combinations of each. In general, platinum catalysts are used in examples where the fuel is hydrogen, and platinum / ruthenium catalysts are used in other examples where the fuel is methanol. These catalyst layers 14a and 14b may contain the same catalyst or different catalysts. These catalyst layers 14a and 14b are typically porous catalyst layers that allow protons to pass through the porous catalyst layer. In addition, there is a conductive path between the catalyst layer and the anode current collector.

触媒層14a及び14bの厚さは、1μm以下、約0.01〜100μm、0.1〜5μm及び約0.3〜1μmとすることができる。   The thickness of the catalyst layers 14a and 14b can be 1 μm or less, about 0.01 to 100 μm, 0.1 to 5 μm, and about 0.3 to 1 μm.

触媒層14a及び14bは、触媒及び膜材料を交互に層状にして、より厚肉の触媒層14a及び14bを形成することができる(例えば2以上の層)。例えば、2層の構造によれば燃料の酸化率が改善される。このことは、アノードの触媒ローディングを増加させることができ、触媒層を多孔性に保持しうるので有利である。表面積が多いことにより、燃料の酸化速度を早くすることができる。この速度が早いことは、より多くの電流及び電力が得られることを意味する。   The catalyst layers 14a and 14b can be formed by alternately layering the catalyst and the membrane material to form thicker catalyst layers 14a and 14b (for example, two or more layers). For example, the two-layer structure improves the fuel oxidation rate. This is advantageous because it can increase the anode catalyst loading and keep the catalyst layer porous. Since the surface area is large, the oxidation rate of the fuel can be increased. Higher speed means more current and power can be obtained.

膜には、更にポストドーピング処理を施すことができる。ドーパントを膜に拡散又は埋め込むことによりイオン伝導度を増大させることができる。ドーパントとしは、ホウ素及びリンを挙げることができるが、これに限定されるものではない。各ドーパントは、液体源又は固体源から単独で膜内に拡散させることもできるし、或いは高圧イオン加速器を使用してイオン注入することもできる。膜の伝導率は、酸性化合物(例えば(酢酸及びトリフルオロ酢酸の形態の)カルボン酸)やリン酸及び硫酸のような無機酸)を膜内に拡散させることにより増大させることができる。   The film can be further subjected to post-doping treatment. Ionic conductivity can be increased by diffusing or embedding dopant in the film. Examples of the dopant include, but are not limited to, boron and phosphorus. Each dopant can be diffused into the membrane alone from a liquid source or a solid source, or can be ion implanted using a high pressure ion accelerator. The conductivity of the membrane can be increased by diffusing acidic compounds (eg, carboxylic acids (in the form of acetic acid and trifluoroacetic acid)) or inorganic acids such as phosphoric acid and sulfuric acid into the membrane.

図2は、代表的な燃料電池膜10bの断面図である。燃料電池膜10bは、複合膜18と、触媒層14a及び14bとを有する。この複合膜18は、2層の膜層12及び16(ポリマー層16)を有する。他の例では、燃料電池膜10bに3層以上の層を設けることができる。一方の触媒層14aはポリマー層16上に配置されており、他方の触媒層14bは膜層12上に配置されている。膜層12と触媒層14a及び14bとは、図1を参照して説明したものと同様のものである。また、燃料電池膜10bの動作も上述したのと同じ又は同様である。   FIG. 2 is a cross-sectional view of a typical fuel cell membrane 10b. The fuel cell membrane 10b includes a composite membrane 18 and catalyst layers 14a and 14b. The composite film 18 has two film layers 12 and 16 (polymer layer 16). In another example, the fuel cell membrane 10b can be provided with three or more layers. One catalyst layer 14 a is disposed on the polymer layer 16, and the other catalyst layer 14 b is disposed on the membrane layer 12. The membrane layer 12 and the catalyst layers 14a and 14b are the same as those described with reference to FIG. The operation of the fuel cell membrane 10b is the same as or similar to that described above.

これら膜層12及びポリマー層16は独立した層であるが、これらの双方とも燃料電池膜として動作する。この二重層膜における特性の組合わせ(例えばイオン伝導度、燃料通過耐性、機械的強度など)は、ある場合にはこれら層の各々を単独で用いるより優れたものとなりうる。例えば、ポリマー層16により、膜層12に対して追加の機械的支持及び安定性を付与することができる。   Although the membrane layer 12 and the polymer layer 16 are independent layers, both of them operate as a fuel cell membrane. This combination of properties in the bilayer membrane (eg, ionic conductivity, fuel passage resistance, mechanical strength, etc.) can be superior to using each of these layers alone in some cases. For example, the polymer layer 16 can provide additional mechanical support and stability to the membrane layer 12.

更に、膜層12を二酸化ケイ素とする例では、この材料は、例えば膜12を半導体装置と共に使用する場合に当該装置を製造するのに用いられる他の絶縁体と類似の材料となる。   Further, in the example where the membrane layer 12 is silicon dioxide, this material is similar to other insulators used to fabricate the device, for example when the membrane 12 is used with a semiconductor device.

ポリマー層16に含ませ得るポリマーには、ナフィオン(商標名)(過フルオロスルホン酸/ポリ四フッ化エチレンコポリマー)、ポリフェニルエンスルホン酸、改質ポリイミド及びこれらの組合せがあるが、これに限定されるものではない。例えば、ポリマー層16としてナフィオンを使用した場合、電流密度を損なうことなく開路電位が増大し、それにより出力密度及び効率が増加することが示された。   Polymers that can be included in the polymer layer 16 include, but are not limited to, Nafion ™ (perfluorosulfonic acid / polytetrafluoroethylene copolymer), polyphenylenesulfonic acid, modified polyimide, and combinations thereof. Is not to be done. For example, using Nafion as the polymer layer 16 has been shown to increase the open circuit potential without compromising the current density, thereby increasing the power density and efficiency.

ポリマー層16の厚さは、約1〜50μm、5〜50μm及び10〜50μmである。ポリマー層16の長さは約0.01m〜100mとすることができ、ポリマー層16の幅は約1μm〜500μmとすることができる。膜の長さ及び幅は用途に応じたものであるため、それに従って調整しうることに留意されたい。このポリマーは、スピンコーティングのような技術を用いて堆積させることができるため(但しこれに限定されるものではない)、当該ポリマーにより基板を完全に被覆させることもできるし、或いは所望の領域に選択的に堆積させることもできる。
ポリマー層16の面積抵抗は、約0.001〜0.5Ωcmである。
The thickness of the polymer layer 16 is about 1-50 μm, 5-50 μm and 10-50 μm. The length of the polymer layer 16 can be about 0.01 m to 100 m, and the width of the polymer layer 16 can be about 1 μm to 500 μm. Note that the length and width of the membrane is application dependent and can be adjusted accordingly. The polymer can be deposited using techniques such as, but not limited to, spin coating, so that the substrate can be completely covered by the polymer or in the desired area. It can also be selectively deposited.
The sheet resistance of the polymer layer 16 is about 0.001 to 0.5 Ωcm 2 .

図3A〜3Dは、微小燃料電池20a、20b、20c及び20dの4つの例を示す。図3Aは、膜28と、基板22と、アノード電流コレクタ24と、カソード電流コレクタ26と、第1多孔性触媒層14aと、第2触媒層14bと、3つのチャネル32a、32b及び32cとを有する微小燃料電池20aを示す。膜28の化学組成、寸法及び特性は、図1を参照して膜12に関して上述したものと同様のものとし得る。膜28の厚さは、チャネル32a、32b及び32cの頂部から測定したものである。   3A-3D show four examples of micro fuel cells 20a, 20b, 20c and 20d. 3A shows a membrane 28, a substrate 22, an anode current collector 24, a cathode current collector 26, a first porous catalyst layer 14a, a second catalyst layer 14b, and three channels 32a, 32b and 32c. The micro fuel cell 20a which has is shown. The chemical composition, dimensions, and characteristics of the membrane 28 may be similar to those described above with respect to the membrane 12 with reference to FIG. The thickness of the film 28 is measured from the top of the channels 32a, 32b and 32c.

基板22は、マイクロプロセッサチップ、マイクロフルイディクス装置、センサ、分析装置及びこれらの組合せといったシステムに使用しうるものであるが、これに限定されるものではない。従って、基板22は、想定されるシステムに適した材料から形成することができる(例えばプリント基板に対してはエポキシボードを使用することができる)。代表的な材料には、ガラス、ケイ素、ケイ素化合物、ゲルマニウム、ゲルマニウム化合物、ガリウム、ガリウム化合物、インジウム、インジウム化合物、その他の半導体材料及び化合物の双方又はいずれか一方、及びこれらの組合わせがあるが、これに限定されるものではない。更に、基板12には非半導体の基板材料を含ませることができ、これには、例えば、任意の誘電材料、金属(例えば銅及びアルミニウム)、セラミックス又はプリント基板に使用される有機材料がある。更にまた、基板22は、上述したあるシステムで使用される特定の構成部材などを1つ以上有してもよい。   The substrate 22 can be used in a system such as a microprocessor chip, a microfluidic device, a sensor, an analysis device, and a combination thereof, but is not limited thereto. Thus, the substrate 22 can be formed from a material suitable for the envisaged system (eg, an epoxy board can be used for a printed circuit board). Typical materials include glass, silicon, silicon compounds, germanium, germanium compounds, gallium, gallium compounds, indium, indium compounds, other semiconductor materials and / or compounds, and combinations thereof. However, the present invention is not limited to this. In addition, the substrate 12 can include non-semiconductor substrate materials, such as any dielectric material, metals (eg, copper and aluminum), ceramics, or organic materials used in printed circuit boards. Furthermore, the substrate 22 may include one or more specific components used in a certain system described above.

第1多孔性触媒層14aは、膜の基板22の側に近い底面に配置されている。第2多孔性触媒層14bは、膜の基板22の側と反対側の頂面に配置されている。微小燃料電池20aは、これら第1多孔性触媒層14a及び第2多孔性触媒層14bを有しており、これら触媒層は、それぞれアノード電流コレクタ24及びカソード電流コレクタ26に対する導電経路を形成している。これら第1多孔性触媒層14a及び第2多孔性触媒層14bは、上述したのと同じ触媒を含み、同じ厚さ及び特性を有しうるものである。   The first porous catalyst layer 14a is disposed on the bottom surface close to the substrate 22 side of the membrane. The second porous catalyst layer 14b is disposed on the top surface of the membrane opposite to the substrate 22 side. The micro fuel cell 20a includes the first porous catalyst layer 14a and the second porous catalyst layer 14b, which form conductive paths to the anode current collector 24 and the cathode current collector 26, respectively. Yes. The first porous catalyst layer 14a and the second porous catalyst layer 14b include the same catalyst as described above, and can have the same thickness and characteristics.

アノード電流コレクタ24は、第1多孔性触媒層14aを通じて電子を集める。アノード電流コレクタ24は、プラチナ、金、銀、パラジウム、アルミニウム、ニッケル、炭素、これら各々の合金及びこれらの組合せを含みうるものであるが、これに限定されるものではない。   The anode current collector 24 collects electrons through the first porous catalyst layer 14a. The anode current collector 24 may include, but is not limited to, platinum, gold, silver, palladium, aluminum, nickel, carbon, their respective alloys, and combinations thereof.

カソード電流コレクタ26は電子を放出する。カソード電流コレクタ26は、プラチナ、金、銀、パラジウム、アルミニウム、ニッケル、炭素、これら各々の合金及びこれらの組合せを含みうるものであるが、これに限定されるものではない。   The cathode current collector 26 emits electrons. Cathode current collector 26 may include, but is not limited to, platinum, gold, silver, palladium, aluminum, nickel, carbon, their respective alloys, and combinations thereof.

所望する構成に応じて、種々のアノード電流コレクタ24及びカソード電流コレクタ26を直列又は並列に電気接続させることができる(例えばアノードからカソードへ(直列に)配線してもよいし、又はアノードからアノードへ(並列に)配線することもできる)。一例において、個々の微小燃料電池を直列に電気接続して燃料電池のスタックを形成し出力電圧を増大させることができる。他の例では、並列に接続して定格電圧での出力電流を増大させることができる。   Depending on the desired configuration, various anode current collectors 24 and cathode current collectors 26 can be electrically connected in series or in parallel (eg, wired from anode to cathode (in series), or from anode to anode). Can also be wired in parallel). In one example, individual micro fuel cells can be electrically connected in series to form a stack of fuel cells to increase the output voltage. In another example, the output current at the rated voltage can be increased by connecting in parallel.

実質的に膜28と第1多孔性触媒層14aと基板22とにより、チャネル32a、32b及び32cが画成される(例えば断面図の全ての側に境界が形成される)。燃料(例えば水素及びメタノール)は、これらチャネルに流されて、上述したようにして第1多孔性触媒層14aと作用する。これらチャネル32a、32b及び32cは、直列又は並列に構成することもできるし、或いはこれらを組合せた構成とするもできる。アノード電流コレクタ24は、チャネル32a、32b及び32cに隣接して配置されているが、多孔性触媒層14aに電気接続されている。   Substantially the membrane 28, the first porous catalyst layer 14a and the substrate 22 define the channels 32a, 32b and 32c (for example, boundaries are formed on all sides of the cross-sectional view). Fuel (for example, hydrogen and methanol) is flowed through these channels and acts with the first porous catalyst layer 14a as described above. These channels 32a, 32b and 32c can be configured in series or in parallel, or a combination of these. The anode current collector 24 is disposed adjacent to the channels 32a, 32b and 32c, but is electrically connected to the porous catalyst layer 14a.

一例において、チャネル32a、32b及び32cは、これらチャネル32a、32b及び32cが位置することになる領域から犠牲ポリマー層を除去(例えば分解)させることにより形成する。構造体20aの製造工程では基板12上に犠牲ポリマー層を堆積させパターン化する。次に、このパターン化した犠牲ポリマー層周辺に膜28を堆積させる。   In one example, the channels 32a, 32b and 32c are formed by removing (eg, degrading) the sacrificial polymer layer from the region where the channels 32a, 32b and 32c will be located. In the manufacturing process of the structure 20a, a sacrificial polymer layer is deposited on the substrate 12 and patterned. A film 28 is then deposited around the patterned sacrificial polymer layer.

その後、この犠牲ポリマー層を除去して、チャネル32a、32b及び32cを形成する。この犠牲ポリマー層を堆積及び除去する工程を以下に更に詳細に説明する。   Thereafter, the sacrificial polymer layer is removed to form channels 32a, 32b and 32c. The process of depositing and removing this sacrificial polymer layer is described in further detail below.

チャネル32a、32b及び32cの断面として方形の断面が示されているが、チャネルの3次元境界は、方形の断面、非方形の断面、多角形の断面、非対称形の断面、湾曲した断面、弓形の断面、テーパの付いた断面、楕円若しくはその一部に相当する断面、放物線若しくはその一部に相当する断面、双曲線若しくはその一部に相当する断面及びこれらの組合せのような断面領域とすることができる。但し、これに限定されるものではない。例えば、チャネルの三次元構造には、方形構造、多角形構造体、非方形構造、非正方形構造、湾曲した構造、テーパのついた構造、楕円形若しくはその一部に相当する構造、放物線形若しくはその一部に相当する構造、双曲線形若しくはその一部に相当する構造及びこれらの組合せがありうるが、これに限定されるものではない。また、チャネルの断面領域を、空間的高さが変化するものとしてもよい。更に、例えば、複数空気領域を相互に接続させて、例えば微小チャネル及び微小チャンバを形成することができる。   Although a square cross section is shown as the cross section of channels 32a, 32b and 32c, the three-dimensional boundary of the channel is a square cross section, a non-square cross section, a polygon cross section, an asymmetric cross section, a curved cross section, an arcuate cross section. A cross-sectional area such as a cross-section, a tapered cross-section, a cross-section corresponding to an ellipse or a part thereof, a cross-section corresponding to a parabola or a part thereof, a cross-section corresponding to a hyperbola or a part thereof, and combinations thereof Can do. However, it is not limited to this. For example, the three-dimensional structure of the channel can be a square structure, a polygonal structure, a non-square structure, a non-square structure, a curved structure, a tapered structure, an elliptical shape or a part thereof, a parabolic shape or There may be a structure corresponding to a part thereof, a hyperbolic shape or a structure corresponding to a part thereof, and a combination thereof, but the present invention is not limited thereto. In addition, the cross-sectional area of the channel may change in spatial height. Further, for example, a plurality of air regions can be connected to each other to form, for example, a microchannel and a microchamber.

チャネル32a、32b及び32cの高さは、約0.1〜100μm、約1〜100μm、約1〜50μm及び10〜20μmとすることができる。チャネル32a、32b及び32cの幅は、約0.01〜約1000μm、約100〜約1000μm及び約100〜300μmとすることができる。チャネル32a、32b及び32cの長さは、用途や構成に応じて幅広く変更することができる。チャネル32a、32b及び32cは、特定の用途に適するように直列、並列、蛇状及びその他の構成にすることができる。   The height of the channels 32a, 32b and 32c can be about 0.1-100 μm, about 1-100 μm, about 1-50 μm and 10-20 μm. Channels 32a, 32b and 32c may have a width of about 0.01 to about 1000 μm, about 100 to about 1000 μm, and about 100 to 300 μm. The lengths of the channels 32a, 32b, and 32c can be widely changed depending on applications and configurations. Channels 32a, 32b and 32c can be in series, parallel, serpentine and other configurations to suit a particular application.

一例において、犠牲材料層を設けるのに用いる犠牲ポリマーは、ゆっくり分解するポリマーであって、チャネル32a、32b及び32cを形成する際に周囲の材料中に過度の圧力上昇を生じないようなものにすることができる。また、犠牲ポリマーの分解により発生するガス分子が、膜28を透過するのに十分小さくなるようにする。更に、犠牲ポリマーの分解温度は、膜28の分解又は壊変温度より低くなるようにする。   In one example, the sacrificial polymer used to provide the sacrificial material layer is a slowly degrading polymer that does not cause an excessive pressure increase in the surrounding material when forming the channels 32a, 32b and 32c. can do. In addition, gas molecules generated by the decomposition of the sacrificial polymer are made sufficiently small to permeate the membrane 28. Furthermore, the decomposition temperature of the sacrificial polymer is made lower than the decomposition or decay temperature of the film 28.

犠牲ポリマーの含みうる化合物には、ポリノルボルネン、ポリカーボネート、ポリエーテル、ポリエステル、これらの各々に官能性を持たせた化合物及びこれらの組合せがあるが、これに限定されるものではない。ポリノルボルネンは、アルケニル置換ノルボルネン(例えばシクロアクリレートノルボルネン)とすることができるが、これに限定されるものではない。ポリカーボネートは、ノルボルネンカーボネート、ポリプロピレンカーボネート、ポリエチレンカーボネート、ポリシクロヘキセンカーボネート及びこれらの組合せとすることができるが、これに限定されるものではない。   Examples of compounds that can be included in the sacrificial polymer include, but are not limited to, polynorbornene, polycarbonate, polyether, polyester, compounds in which each of these is functionalized, and combinations thereof. The polynorbornene can be an alkenyl substituted norbornene (eg, cycloacrylate norbornene), but is not limited thereto. The polycarbonate can be norbornene carbonate, polypropylene carbonate, polyethylene carbonate, polycyclohexene carbonate, and combinations thereof, but is not limited thereto.

更に、犠牲ポリマーには、当該犠牲ポリマーの加工性を変化させる追加成分を含ませることができる(例えば、熱及び光放射の双方又はいずれか一方に対する犠牲ポリマーの安定性を増大又は低減させるもの)。この点に関して、追加成分として、光重合開始剤及び光酸開始剤をあげることができるが、これに限定されるものではない。   In addition, the sacrificial polymer can include additional components that alter the processability of the sacrificial polymer (eg, those that increase or decrease the stability of the sacrificial polymer against heat and / or light radiation). . In this regard, examples of the additional component include a photopolymerization initiator and a photoacid initiator, but are not limited thereto.

犠牲ポリマーは、例えば、スピンコーティング、ドクターブレーディング、スパッタリング、ラミネーション、スクリーン若しくはステンシル印刷、溶融ディスペンシング、蒸着、CVD、MOCVD又はプラズマ堆積システムのような技術を用いて基板上に堆積させることができる。   The sacrificial polymer can be deposited on the substrate using techniques such as, for example, spin coating, doctor blading, sputtering, lamination, screen or stencil printing, melt dispensing, vapor deposition, CVD, MOCVD or plasma deposition systems. .

犠牲ポリマーの熱分解は、その犠牲ポリマーの分解温度まで加熱し、その温度を所定時間(例えば1〜2時間)に亘り温度を維持することで行うことができる。その後、犠牲ポリマーの分解物は膜28を通って拡散し、実質的に残留物のない中空構造体(チャネル32a、32b及び32c)が残る。   The thermal decomposition of the sacrificial polymer can be performed by heating to the decomposition temperature of the sacrificial polymer and maintaining the temperature for a predetermined time (for example, 1 to 2 hours). The sacrificial polymer breakdown then diffuses through the membrane 28, leaving a hollow structure (channels 32a, 32b and 32c) substantially free of residues.

図3Bは、膜28と、基板22と、アノード電流コレクタ24と、カソード電流コレクタ26と、第1多孔性触媒層14aと、第2触媒層14bと、触媒層34と、3つのチャネル32a、32b及び32cとを有する微小燃料電池20bを示す。膜28の化学組成、寸法及び特性は、図1を参照して膜12について説明したのと同じものとしうる。膜28の厚さは、チャネル32a、32b及び32cの頂部から測定したものである。 3B illustrates a membrane 28, a substrate 22, an anode current collector 24, a cathode current collector 26, a first porous catalyst layer 14a, a second catalyst layer 14b, a catalyst layer 34, three channels 32a, A micro fuel cell 20b having 32b and 32c is shown. The chemical composition, dimensions, and characteristics of film 28 may be the same as described for film 12 with reference to FIG. The thickness of the film 28 is measured from the top of the channels 32a, 32b and 32c.

基板22と、アノード電流コレクタ24と、カソード電流コレクタ26と、第1多孔性触媒層14aと、第2触媒層14bと、3つのチャネル32a、32b及び32cとは、図3Aを参照して説明したものと同様のものである。   The substrate 22, the anode current collector 24, the cathode current collector 26, the first porous catalyst layer 14a, the second catalyst layer 14b, and the three channels 32a, 32b and 32c will be described with reference to FIG. 3A. It is the same as what I did.

触媒層34は、各チャネル32a、32b及び32c内の基板12上に配置されている。他の例では、全てのチャネルに触媒層42を配置する必要はなく、触媒層を配置するチャネルは、微小燃料電池の所望する構成により決定する。この触媒層34は、多孔質層にすることもできるし、又は表面積の大きな層にすることもできる。触媒層34は、チャネル32a、32b及び32c内におけるその触媒層がなければ燃料に露出されことになる基板部分の全部を被覆するようにしてもよいし、又はそれより小さい領域を被覆するようにしてもよく、このことは所望する構成により決定する。触媒層34は、プラチナ、プラチナ/ルテニウム、ニッケル、パラジウム、これら各々の合金及びこれらの組合せのような触媒を含みうるものであるが、これに限定されるものではない。   The catalyst layer 34 is disposed on the substrate 12 in each channel 32a, 32b, and 32c. In another example, it is not necessary to arrange the catalyst layer 42 in every channel, and the channel in which the catalyst layer is arranged is determined by the desired configuration of the micro fuel cell. The catalyst layer 34 can be a porous layer or a layer with a large surface area. The catalyst layer 34 may cover all of the portion of the substrate that would otherwise be exposed to the fuel in the channels 32a, 32b and 32c, or a smaller area. This may be determined by the desired configuration. The catalyst layer 34 may include a catalyst such as, but not limited to, platinum, platinum / ruthenium, nickel, palladium, their respective alloys, and combinations thereof.

図3Cは、膜28と、基板22と、アノード電流コレクタ24と、カソード電流コレクタ26と、第2触媒層14bと、触媒層34と、3つのチャネル32a、32b及び32cとを有する微小燃料電池20cを示す。膜28の化学組成、寸法及び特性は、図1を参照して膜12について説明したのと同じものとしうる。膜28の厚さは、チャネル32a、32b及び32cの頂部から測定したものである。   FIG. 3C shows a micro fuel cell having a membrane 28, a substrate 22, an anode current collector 24, a cathode current collector 26, a second catalyst layer 14b, a catalyst layer 34, and three channels 32a, 32b and 32c. 20c is shown. The chemical composition, dimensions, and characteristics of film 28 may be the same as described for film 12 with reference to FIG. The thickness of the film 28 is measured from the top of the channels 32a, 32b and 32c.

基板22と、アノード電流コレクタ24と、カソード電流コレクタ26と、第2触媒層14bと、触媒層34と、3つのチャネル32a、32b及び32cとは、図3A及び3Bを参照して説明したものと同様のものである。   The substrate 22, the anode current collector 24, the cathode current collector 26, the second catalyst layer 14b, the catalyst layer 34, and the three channels 32a, 32b, and 32c have been described with reference to FIGS. 3A and 3B. Is the same.

本例における微小燃料電池20cは、第1多孔性触媒層を有していないが、触媒層34により触媒反応及び触媒活性を生ぜしめることができる。   Although the micro fuel cell 20c in this example does not have the first porous catalyst layer, the catalyst layer 34 can cause a catalytic reaction and a catalytic activity.

図3Dは、膜28と、基板22と、アノード電流コレクタ24と、カソード電流コレクタ26と、第1触媒層14aと、第2触媒層14bと、3つのチャネル32a、32b及び32cとを有する微小燃料電池20dを示す。膜28の化学組成、寸法及び特性は、図1を参照して膜12について説明したのと同じものとしうる。膜28の厚さは、チャネル32a、32b及び32cの頂部から測定したものである。   FIG. 3D shows a microscopic structure having a membrane 28, a substrate 22, an anode current collector 24, a cathode current collector 26, a first catalyst layer 14a, a second catalyst layer 14b, and three channels 32a, 32b and 32c. A fuel cell 20d is shown. The chemical composition, dimensions, and characteristics of film 28 may be the same as described for film 12 with reference to FIG. The thickness of the film 28 is measured from the top of the channels 32a, 32b and 32c.

膜28の基板22の側と反対側の頂面にポリマー層36が配置されている。第2多孔性触媒層14b及びカソード電流コレクタ26は、ポリマー層36の膜28の側と反対側の頂面に配置されている。   A polymer layer 36 is disposed on the top surface of the film 28 opposite to the substrate 22 side. The second porous catalyst layer 14b and the cathode current collector 26 are disposed on the top surface of the polymer layer 36 opposite to the membrane 28 side.

基板22と、アノード電流コレクタ24と、カソード電流コレクタ26と、第2触媒層14bと、第1触媒層14aと、3つのチャネル32a、32b及び32cとは、図3A及びBを参照して説明したのと同様のものである。この微小燃料電池20dと類似する例では、図3B及び3Cで説明したような触媒層を設けてもよいことに留意されたい。   The substrate 22, the anode current collector 24, the cathode current collector 26, the second catalyst layer 14b, the first catalyst layer 14a, and the three channels 32a, 32b, and 32c will be described with reference to FIGS. 3A and 3B. It is the same as that. It should be noted that in an example similar to the micro fuel cell 20d, a catalyst layer as described in FIGS. 3B and 3C may be provided.

ポリマー層36は、図2に説明したポリマー層16と同様のものである。ポリマー層36は、図2を参照にて説明したのと同じポリマーとすることができ、また同じ寸法にすることができる。また、ポリマー層の寸法は、微小燃料電池20dの全体寸法及び膜28の寸法により一部制限される。   The polymer layer 36 is the same as the polymer layer 16 described in FIG. The polymer layer 36 can be the same polymer as described with reference to FIG. 2 and can have the same dimensions. The dimensions of the polymer layer are partially limited by the overall dimensions of the micro fuel cell 20d and the dimensions of the membrane 28.

ここまで微小燃料電池20a、20b、20c及び20dを有する構造体10を一般的に説明してきた。以下では微小燃料電池20aを製造するための代表的な例を説明するが、この例は、微小燃料電池20b、20c及び20dの製造に拡張して適用することができる。明確化のために、図4A〜4Hには一部の製造工程が含まれていないことに留意されたい。このように、以下の製造工程は、微小燃料電池20aを製造するのに必要な全てのステップを含む網羅的なものとすることを意図するものではない。また、この製造工程は柔軟なものである。即ち、この製造工程は、図4A〜4Hに示すのと異なる順序で実施することもできるし、又は幾つかの工程を同時に実施することもできるからである。   So far, the structure 10 having the micro fuel cells 20a, 20b, 20c and 20d has been generally described. Hereinafter, a representative example for manufacturing the micro fuel cell 20a will be described. However, this example can be applied to the manufacture of the micro fuel cells 20b, 20c, and 20d. Note that for clarity, some manufacturing steps are not included in FIGS. Thus, the following manufacturing process is not intended to be exhaustive including all the steps necessary to manufacture the micro fuel cell 20a. Moreover, this manufacturing process is flexible. That is, the manufacturing steps can be performed in a different order than shown in FIGS. 4A-4H, or several steps can be performed simultaneously.

明確化のために、図4A〜4Hには一部の製造工程が含まれていないことに留意されたい。このように、以下の製造工程は、微小燃料電池20aを製造するのに必要な全てのステップを含む網羅的なものとすることを意図するものではない。また、この製造工程は柔軟なものである。即ち、この製造工程は、図4A〜4Hに示すのと異なる順序で実施することもできるし、又は幾つかの工程を同時に実施することもできるからである。   Note that for clarity, some manufacturing steps are not included in FIGS. Thus, the following manufacturing process is not intended to be exhaustive including all the steps necessary to manufacture the micro fuel cell 20a. Moreover, this manufacturing process is flexible. That is, the manufacturing steps can be performed in a different order than shown in FIGS. 4A-4H, or several steps can be performed simultaneously.

図4Aは、基板22を示しており、この基板22上にはアノード電流コレクタ24が配置されている。図4Bは、これら基板22及びアノード電流コレクタ24上に犠牲材料層42を形成する工程を示す。この犠牲ポリマー層42は、例えば、スピンコーティング、ドクターブレーディング、スパッタリング、ラミネーション、スクリーン若しくはステンシル印刷、溶融ディスペンシング、CVD、MOCVD又はプラズマ堆積システム或いはこれらの任意の組合わせのような技術を用いて、基板10上に堆積させることができる。更に、この犠牲材料層42の一部を除去してアノード電流コレクタ24を露出させるためのマスク38を、当該犠牲材質層42上に配置する。図4Cは、犠牲材料層42の一部を除去して犠牲部44a、44b及び44cを形成する工程を示す。   FIG. 4A shows a substrate 22 on which an anode current collector 24 is disposed. FIG. 4B shows a process of forming a sacrificial material layer 42 on the substrate 22 and the anode current collector 24. The sacrificial polymer layer 42 may be formed using techniques such as, for example, spin coating, doctor blading, sputtering, lamination, screen or stencil printing, melt dispensing, CVD, MOCVD or plasma deposition systems or any combination thereof. Can be deposited on the substrate 10. Further, a mask 38 for removing a part of the sacrificial material layer 42 and exposing the anode current collector 24 is disposed on the sacrificial material layer 42. FIG. 4C shows a process of removing the sacrificial material layer 42 to form the sacrificial portions 44a, 44b and 44c.

図4Dは、これら犠牲部44a、44b及び44c上に第1多孔性触媒層14aを形成する工程を示す。この第1多孔性触媒層14aは、スパッタリング、蒸着、噴霧法、印刷、化学気相堆積及びこれらの組合せにより形成することができる。   FIG. 4D shows a step of forming the first porous catalyst layer 14a on the sacrificial portions 44a, 44b and 44c. The first porous catalyst layer 14a can be formed by sputtering, vapor deposition, spraying, printing, chemical vapor deposition, or a combination thereof.

図4Eは、この多孔性触媒層14aと、これら犠牲部44a、44b及び44cと、アノード電流コレクタ24との上に膜層28を形成する工程を示す。この膜28は、スピンコーティング、プラズマ加速化学気相堆積(PECVD)、化学気相堆積、スパッタリング、蒸着、レーザアブレーション堆積及びこれらの組合せを用いて形成することができるが、これに限定されるものではない。この膜28の形成温度は、約25〜400℃、約50〜200℃又は約100〜150℃とすべきである。この温度は、その他の材料が安定である範囲に制限されることに留意されたい(例えば分解温度)。   FIG. 4E shows a process of forming a membrane layer 28 on the porous catalyst layer 14 a, the sacrificial portions 44 a, 44 b and 44 c, and the anode current collector 24. The film 28 can be formed using, but is not limited to, spin coating, plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD), chemical vapor deposition, sputtering, evaporation, laser ablation deposition, and combinations thereof. is not. The formation temperature of this film 28 should be about 25-400 ° C, about 50-200 ° C, or about 100-150 ° C. Note that this temperature is limited to a range where other materials are stable (eg, decomposition temperature).

図4Fは、犠牲部44a、44b及び44cを除去してチャネル32a、32b及び32cを形成する工程を示す。これら犠牲部44a、44b及び44cは、熱分解、マイクロ波照射、UV/可視光照射、プラズマ露出及びこれらの組合せを用いることにより除去することができる。これら犠牲部44a、44b及び44cは、図4Gや図4Hに示される工程の後など、製造工程中の異なる工程において除去しうることに留意されたい。   FIG. 4F shows the process of removing the sacrificial portions 44a, 44b and 44c to form the channels 32a, 32b and 32c. These sacrificial portions 44a, 44b and 44c can be removed by using thermal decomposition, microwave irradiation, UV / visible light irradiation, plasma exposure and a combination thereof. Note that these sacrificial portions 44a, 44b and 44c may be removed at different steps during the manufacturing process, such as after the steps shown in FIGS. 4G and 4H.

図4Gは、チャネル32a、32b及び32cの上方に第2多孔性触媒層14bを形成する工程を示す。この第2多孔性触媒層14bは、スパッタリング、蒸着、噴霧法、印刷、化学気相堆積及びこれらの組合せにより形成することができる。   FIG. 4G shows a process of forming the second porous catalyst layer 14b above the channels 32a, 32b and 32c. The second porous catalyst layer 14b can be formed by sputtering, vapor deposition, spraying, printing, chemical vapor deposition, and combinations thereof.

図4Hは、この第2多孔性触媒層14b及び膜28上にカソード電流コレクタ26を形成する工程を示す。   FIG. 4H shows a process of forming the cathode current collector 26 on the second porous catalyst layer 14b and the membrane 28.

前述したように、図2及び図3Dに示すようなポリマー層を追加するための工程を、図4F及び図4Gに示す工程間に追加して、このポリマー層上に第2多孔性触媒層及びカソード電流コレクタを形成することができる。このポリマー層は、スピンコーティング、ドクターブレーディング、スパッタリング、ラミネーション、スクリーン若しくはステンシル印刷、溶融ディスペンシング、CVD、MOCVD又はプラズマ堆積システムのような技術により形成することができる。また、第1多孔性触媒層14aを設ける工程を省略して、図3Cに示した微小燃料電池20cを形成することもできる。更に、膜層を形成する幾つか前の工程において、(図3B及び図3Cの)触媒層34を配置することもできる。   As described above, a process for adding the polymer layer as shown in FIGS. 2 and 3D is added between the processes shown in FIGS. 4F and 4G, and the second porous catalyst layer and the polymer layer are formed on the polymer layer. A cathode current collector can be formed. This polymer layer can be formed by techniques such as spin coating, doctor blading, sputtering, lamination, screen or stencil printing, melt dispensing, CVD, MOCVD or plasma deposition systems. Also, the step of providing the first porous catalyst layer 14a can be omitted, and the micro fuel cell 20c shown in FIG. 3C can be formed. Furthermore, the catalyst layer 34 (of FIGS. 3B and 3C) can also be placed in some previous steps of forming the membrane layer.

実施例1
微細形成燃料電池を、集積回路の製造に一般的に用いられている多くの処理を利用してシリコン集積回路ウェーハ上に構成し構造化した。このような処理には、スパッタリング、ポリマースピンコーティング、反応性イオンエッチング及びホトリソグラフ処理がある。プロトン交換膜(PEM)は、二酸化ケイ素を低温プラズマ加速化学気相堆積(PECVD)させて形成した。燃料送出チャネルは、パターン化した犠牲ポリマー層を使用してPEM及びアノード触媒の下に形成した。プラチナ−ルテニウム触媒を直流(DC)スパッタリングにより堆積した。酸化膜の抵抗は従来の高分子電解質膜(例えばナフィオン(商標名))より高いが、より薄肉のものとした。
Example 1
A microfabricated fuel cell was constructed and structured on a silicon integrated circuit wafer using a number of processes commonly used in the manufacture of integrated circuits. Such processes include sputtering, polymer spin coating, reactive ion etching and photolithography processes. The proton exchange membrane (PEM) was formed by low temperature plasma accelerated chemical vapor deposition (PECVD) of silicon dioxide. The fuel delivery channel was formed under the PEM and anode catalyst using a patterned sacrificial polymer layer. Platinum-ruthenium catalyst was deposited by direct current (DC) sputtering. The resistance of the oxide film is higher than that of a conventional polymer electrolyte membrane (for example, Nafion (trade name)), but it is thinner.

実験方法
この微小燃料電池の構成及び製造は、アノード用の燃料送出チャネルを形成するのに犠牲ポリマーを用いる技術に基づくものである。この犠牲ポリマー(Unity2000P(オハイオ州ブレックスヴィルにあるPromerus社))は、紫外線に曝して露出領域を熱分解させることによりパターン化した。これらパターン化した部分に、順次の形成処理で膜及び電極を被覆した。この製造工程の最終工程は、前記Unityのパターン化した部分を熱分解して、カプセル化された微小チャネルを残すものである(例えば図4A〜図4Hに示す処理と同様の工程)。このUnityの熱分解は、リントベルク管状炉に一様に窒素を流して行った。最終的な分解温度及び時間は、それぞれ約170℃及び約1.5時間とした。この微小燃料電池の製造工程は、PEMとして作用するカプセル化材料を堆積させる前及び後に、触媒電極及び電流コレクタを堆積させる処理を有するものとした。並列な微小チャネルのアレイ上に形成した装置の線図的断面図を図3Aに示す。
Experimental Method The construction and manufacture of this micro fuel cell is based on a technique that uses a sacrificial polymer to form a fuel delivery channel for the anode. This sacrificial polymer (Unity 2000P (Promerus, Inc., Brexville, Ohio)) was patterned by exposing it to ultraviolet light to thermally decompose the exposed areas. These patterned portions were covered with a film and an electrode by a sequential forming process. In the final step of this manufacturing process, the patterned portion of the unity is thermally decomposed to leave an encapsulated microchannel (for example, a process similar to the process shown in FIGS. 4A to 4H). The unity pyrolysis was performed by flowing nitrogen uniformly through a Lindberg tube furnace. The final decomposition temperature and time were about 170 ° C. and about 1.5 hours, respectively. The manufacturing process of the micro fuel cell includes a process of depositing the catalyst electrode and the current collector before and after depositing the encapsulating material acting as the PEM. A diagrammatic cross-sectional view of a device formed on an array of parallel microchannels is shown in FIG. 3A.

カプセル化材料及びPEMとして二酸化ケイ素を使した。SiOの堆積は、Plasma−Therm PECVDシステム(フロリダ州サンクトペテルスブルグのPlasma−Therm社)により60〜200℃の温度で行った。反応ガスは、シラン及び亜酸化窒素としてこれらNO:SiHの比率を2.25とし、動作圧は600mTorrとした。60〜75分の時間に亘り堆積を行うことで、Alpha−Step表面プロファイルメータ(カリフォルニア州サンノゼのKLA−Tencor社)で測定すると2.4〜3.4μmの膜厚が得られた。 Silicon dioxide was used as the encapsulating material and PEM. SiO 2 deposition was performed at a temperature of 60-200 ° C. with a Plasma-Therm PECVD system (Plasma-Therm, St. Petersburg, Fla.). The reaction gas was silane and nitrous oxide, the ratio of N 2 O: SiH 4 was 2.25, and the operating pressure was 600 mTorr. Deposition over a period of 60 to 75 minutes resulted in a film thickness of 2.4 to 3.4 μm as measured by an Alpha-Step surface profile meter (KLA-Tencor, San Jose, Calif.).

触媒層は、CVC DC スパッタリング装置(ニューヨーク州ロチェスターのCVC Products社)を使用してスパッタリング堆積させた。ソースターゲットとして、原子比50:50のプラチナ/ルテニウムターゲット(ニューヨーク州ブルースターのWilliams Thin−Film Products社)を使用した。図5は、スパッタリング堆積した膜が、等量の2種の金属を有することを確認するX線光電子分光(XPS)走査の結果を示すものである。犠牲ポリマー上に約50〜200Åの平均厚さを有する多孔質薄膜を堆積し、その後これを膜で被覆してアノード触媒として作用させた。更に、Pt/Ruの約600Åの厚肉層を、アノード微小チャネルの膜の側と反対側の底部に堆積させ、追加触媒及び電流コレクタとして作用させた。この追加触媒は、特に酸性メタノールを使用した場合に、微小チャネル燃料電池のパフォーマンスを改善するものであった。   The catalyst layer was sputter deposited using a CVC DC sputtering apparatus (CVC Products, Rochester, NY). A platinum / ruthenium target with a 50:50 atomic ratio (Williams Thin-Film Products, Brewster, NY) was used as the source target. FIG. 5 shows the results of an X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) scan confirming that the sputter deposited film has equal amounts of two metals. A porous thin film having an average thickness of about 50-200 mm was deposited on the sacrificial polymer and then coated with the film to act as an anode catalyst. In addition, a thick layer of about 600 mm of Pt / Ru was deposited on the bottom of the anode microchannel opposite the membrane side, acting as an additional catalyst and current collector. This additional catalyst improved the performance of the microchannel fuel cell, especially when acidic methanol was used.

また、多孔性触媒カソードは、PEMの頂部即ち外側にPt又はPt/Ruをスパッタリングすることにより製造した。但し、あるサンプルのカソードは、ナフィオン中に炭素担持Ptを調製した触媒インクをPEM上に印刷し、その後、金の多孔質電流コレクタを被覆することにより形成した。この厚膜にする手法により、PEMのカソード側の触媒ローディング及びパフォーマンスが増大した。このことは、律速段階からカソードでの酸素還元を排除することによりアノードのパフォーマンスを研究するのに特に有用であった。   In addition, the porous catalyst cathode was produced by sputtering Pt or Pt / Ru on the top or outside of the PEM. However, one sample cathode was formed by printing a catalyst ink with carbon-supported Pt in Nafion on a PEM, and then coating a gold porous current collector. This thick film approach increased catalyst loading and performance on the cathode side of the PEM. This was particularly useful for studying anode performance by eliminating oxygen reduction at the cathode from the rate limiting step.

インピーダンス分光分析(IS)及び線形ボルタモグラムを含む全ての電気化学的測定は、PerkinElner PARSTAT 2263(ニュージャージー州プリンストンのEG&G)の電気化学システムを用いて行った。線形掃引ボルタンメトリおける走査速度は、1mV/sとした。イオン伝導度は、実際の電池の場合と同様に、SiO薄膜をアルミニウム被覆基板上へ堆積させ水銀プローブに接触させてインピーダンス分光分析により測定した。インピーダンス測定を行う周波数範囲は、100mHz〜1MHzとし、AC信号の振幅は10mVとした。SiOのPEM下に燃料送出チャネルとスパッタリングされた触媒とを具える半電池装置を製造した。カソードの代わりに、エポキシを用いて装置の頂部にウエルを形成し1Mの硫酸溶液で充填した。飽和カロメル電極(SCE)及びPtワイヤをこの硫酸溶液中に配置し、それぞれ参照電極及び対向電極として測定を行った。PHD 2000 Programmable Syringe Pump(マサチューセッツ州ホリストンのHarvard Apparatus社)により液体燃料を供給し流速を制御した。水素は、加圧タンクの超高純度ガスから供給し加湿のためにハブラを通過させた。 All electrochemical measurements including impedance spectroscopy (IS) and linear voltammograms were performed using an electrochemical system from PerkinElner PARSTAT 2263 (EG & G, Princeton, NJ). The scanning speed in the linear sweep voltammetry was 1 mV / s. As in the case of an actual battery, the ionic conductivity was measured by impedance spectroscopy analysis by depositing a SiO 2 thin film on an aluminum-coated substrate and contacting a mercury probe. The frequency range for impedance measurement was 100 mHz to 1 MHz, and the amplitude of the AC signal was 10 mV. A half-cell device was fabricated comprising a fuel delivery channel and a sputtered catalyst under a SiO 2 PEM. Instead of the cathode, an epoxy was used to form a well at the top of the device and filled with 1 M sulfuric acid solution. A saturated calomel electrode (SCE) and a Pt wire were placed in this sulfuric acid solution, and measurements were performed as a reference electrode and a counter electrode, respectively. Liquid fuel was supplied and the flow rate was controlled by PHD 2000 Programmable Syringe Pump (Harvar Apparatus, Holliston, Mass.). Hydrogen was supplied from ultra high purity gas in a pressurized tank and passed through a hub for humidification.

結果及び考察
集積回路製造技術に共通する多くの材料及び工程を用いた微細形成燃料電池の製造に成功した。この微小燃料電池のパフォーマンスを、半電池及び完全な電池を含む異なる特徴の電池について異なる燃料及び温度を用いて測定した。この目的は、加工条件に応じて燃料電池の個々の構成部材(例えばアノード、カソード及びPEM)を調査することにある。
Results and Discussion Microfabricated fuel cells have been successfully manufactured using many materials and processes common to integrated circuit manufacturing technology. The performance of this micro fuel cell was measured using different fuels and temperatures for different feature cells, including half cells and full cells. The purpose is to investigate the individual components of the fuel cell (eg anode, cathode and PEM) depending on the processing conditions.

スパッタリングした触媒層に関して触媒活性の他に望ましい基本性質は、気孔率及び導電率であった。膜と接触する触媒は多孔性にして、酸化中に発生したプロトンがPEMと接触して、カソードまで通過するようにする必要がある。アノード触媒において発生する電子には、金属の電流コレクタまでの経路が必要となる。種々の量のPtを、絶縁体の両側に2つのパターン化した固体電極を有する基板上へスパッタリングした。これら電極間のスペースを跨いでのPt層のシート抵抗を測定した。図6は、スパッタリングされたPt薄膜の抵抗測定値(Ω/□)と、その厚さの平滑で連続的な膜に対する計算値とを厚さの関数として示す。約300Åより上の値では、測定値と予測値とが一致しており、このことは、膜が連続的なものであったことを示している。約150Åより低い値では、厚さの減少により抵抗が劇的に増大した。これは、所望する多孔性で不連続な膜であることか意味する。Unityの犠牲ポリマー表面をRIE処理により荒らすことにより、固体層を形成する前にスパッタリングしうる金属の量が増大した。この作業では、荒くしたUnity犠牲ポリマー上の多孔質伝導層として、約50〜200Åの平均厚さを有するPt/Ru層を使用した。   In addition to catalytic activity, desirable basic properties for the sputtered catalyst layer were porosity and conductivity. The catalyst in contact with the membrane must be porous so that the protons generated during oxidation will contact the PEM and pass to the cathode. Electrons generated in the anode catalyst require a path to the metal current collector. Various amounts of Pt were sputtered onto a substrate having two patterned solid electrodes on either side of the insulator. The sheet resistance of the Pt layer across the space between these electrodes was measured. FIG. 6 shows the measured resistance (Ω / □) of the sputtered Pt thin film and its calculated thickness for a smooth and continuous film as a function of thickness. At values above about 300 cm, the measured and predicted values are consistent, indicating that the membrane was continuous. At values below about 150 mm, the resistance increased dramatically with decreasing thickness. This means that it is the desired porous and discontinuous membrane. Roughening the unity sacrificial polymer surface by RIE increased the amount of metal that could be sputtered prior to forming the solid layer. In this work, a Pt / Ru layer having an average thickness of about 50-200 mm was used as the porous conductive layer on the roughened Unity sacrificial polymer.

SiOを堆積させる前にPt/Ruの頂部にチタン接着層を堆積させた。接着に必要なTiの量は最小になようにした。スパッタリングした電極においてSiOとPt/Ruとの間に約45Å(平均厚さ)のTiを堆積した。 It was deposited titanium adhesion layer on top of the Pt / Ru prior to depositing the SiO 2. The amount of Ti required for bonding was minimized. About 45 mm (average thickness) of Ti was deposited between SiO 2 and Pt / Ru in the sputtered electrode.

Unityの犠牲ポリマーを堆積しパターン化する前に、約600Å即ち約100μg/cmのPt/Ruをスパッタリングすることにより、基板上に比較的中実な(非多孔性の)層が得られ、これにより伝導検体(例えば酸性メタノール)が利用しうる電池内のアノード触媒の総量が増大した。これにより、水素による場合のパフォーマンスもある程度改善された。微小チャネルの底部にPt/Ru固体層を具えるよう製造した電池の全結果をここに説明する。 Prior to depositing and patterning the Unity sacrificial polymer, sputtering about 600 Å or about 100 μg / cm 2 of Pt / Ru yields a relatively solid (non-porous) layer on the substrate, This increased the total amount of anode catalyst in the battery that could be used by the conductive analyte (eg, acidic methanol). This also improved the performance with hydrogen to some extent. The overall results of a battery fabricated to have a Pt / Ru solid layer at the bottom of the microchannel are now described.

このプロトン交換膜の条件は、従来のPEM(例えばナフィオン)とは異なっているが、それは、微細形成燃料電池に必要とされる機械的特性及び厚さのためである。ここでのSiOは、独立型の膜として作用することが示されている。SiO膜をPECVDによって堆積し、インピーダンス分光分析によりイオン伝導度を室温で測定した。図7は、堆積温度と二酸化ケイ素のイオン伝導度との関係を示すグラフである。堆積温度が低くなると、シロノール濃度が高くなると共に密度が低くなるため伝導率が増加した。この薄膜の伝導率は、ナフィオンのような一般的に用いられる他のPEMよりも大幅に低いが、他の燃料電池膜より極めて薄肉でもあった。押出成形されたナフィオン膜(1100重量当量)の面積抵抗は、0.1〜0.35Ωcmである。100℃で堆積した厚さ3μmのSiO膜の面積抵抗は、室温において1200Ωcmである。このように抵抗が比較的高いことにより、高電流での電池電圧が低減される。これら装置に使用したSiO膜は、アノード及びカソードの触媒ローディングといった他のパラメータを調査するのに十分なものであった。これらは、本研究に使用した低電流装置に対して充分なものであるが、将来は改良したSiOPEMについて研究報告を行う予定である。 The conditions for this proton exchange membrane are different from conventional PEMs (eg, Nafion) because of the mechanical properties and thickness required for microfabricated fuel cells. The SiO 2 here is shown to act as a stand-alone film. A SiO 2 film was deposited by PECVD, and ionic conductivity was measured at room temperature by impedance spectroscopy. FIG. 7 is a graph showing the relationship between the deposition temperature and the ionic conductivity of silicon dioxide. As the deposition temperature was lowered, the conductivity increased because the concentration of silanol increased and the density decreased. The conductivity of this thin film was significantly lower than other commonly used PEMs such as Nafion, but was also much thinner than other fuel cell membranes. The sheet resistance of the extruded Nafion membrane (1100 weight equivalent) is 0.1 to 0.35 Ωcm 2 . The sheet resistance of a 3 μm thick SiO 2 film deposited at 100 ° C. is 1200 Ωcm 2 at room temperature. Thus, since the resistance is relatively high, the battery voltage at a high current is reduced. The SiO 2 films used in these devices were sufficient to investigate other parameters such as anode and cathode catalyst loading. These are sufficient for the low current devices used in this study, but in the future we will report on improved SiO 2 PEM.

半電池装置を製造して、種々の燃料を用いてアノードのパフォーマンスを評価する試験を行い、完全な電池による試験と比較した。図8及び9は、水素及びメタノールのそれぞれに関する半電池の試験結果を示す。Pt/Ruの固体層は、犠牲ポリマーをパターン化する前であってパターン化部分頂部の多孔質層を膜と接触させる前に堆積した。膜表面における触媒重量は、17μg/cmとした。 A half-cell device was manufactured and tested to evaluate anode performance using various fuels and compared to a full cell test. 8 and 9 show the half-cell test results for hydrogen and methanol, respectively. A solid layer of Pt / Ru was deposited before patterning the sacrificial polymer and before contacting the porous layer on top of the patterned portion with the membrane. The catalyst weight on the membrane surface was 17 μg / cm 2 .

水素は、加圧タンクの超高純度ガスから供給し加湿のためにハブラを通過させた。図8は、入口圧力を1〜4psig(15.7〜18.7psia(1psia=6894.76 Pa))とした場合の結果を示す。半電池の電流密度は、加湿した水素の分圧に従って変化している。これは、パフォーマンスが主にアノードでの触媒化学反応速度論により規定されること、すなわち水素分圧に比例することを示す。アノード触媒の活性を改善することにより電流密度を更に向上させることができる。   Hydrogen was supplied from ultra high purity gas in a pressurized tank and passed through a hub for humidification. FIG. 8 shows the results when the inlet pressure is 1 to 4 psig (15.7 to 18.7 psia (1 psia = 6894.76 Pa)). The current density of the half-cell varies according to the partial pressure of humidified hydrogen. This indicates that the performance is mainly defined by the catalytic chemical reaction kinetics at the anode, ie proportional to the hydrogen partial pressure. The current density can be further improved by improving the activity of the anode catalyst.

水中のメタノール濃度は1Mとした。酸性メタノール混合物は、1Mのメタノールと1Mの硫酸とを含むものとした。図9は、メタノール及び酸性メタノールに関する半電池の分極曲線を示す。燃料に硫酸を加えることにより、溶液がプロトンに対して伝導性になった。酸性メタノール溶液の伝導性のために、活性表面領域がより大きくなり電流密度が改善された。膜と接触していないチャネル壁部に堆積したPt/Ru触媒を用いることで、メタノールの酸化量が増大した。酸性メタノール燃料の流速を増すことにより、電流密度及び開路電位が改善される。低い流速においてパフォーマンスが損なわれる主要因は、微小チャネルから押し出す必要がある二酸化炭素の気泡がアノードに形成されてしまう為と思われる。0.25(V vs.SCE)で観察される電流密度(1mL/hr及び5mL/hrに対してそれぞれ2mA/cm及び7mA/cm)から、COガスの気泡が発生して触媒部位を覆ってしまい、更に微小チャネルの底部からPEMまでの燃料を通るプロトンの伝導度が制限されるおそれがあることが分かる。 The methanol concentration in water was 1M. The acidic methanol mixture contained 1M methanol and 1M sulfuric acid. FIG. 9 shows the half-cell polarization curves for methanol and acidic methanol. By adding sulfuric acid to the fuel, the solution became conductive to protons. Due to the conductivity of the acidic methanol solution, the active surface area was larger and the current density was improved. By using a Pt / Ru catalyst deposited on the channel wall that is not in contact with the membrane, the amount of methanol oxidation increased. Increasing the flow rate of acidic methanol fuel improves current density and open circuit potential. The main factor that impairs performance at low flow rates appears to be the formation of carbon dioxide bubbles at the anode that must be pushed out of the microchannel. 0.25 (V vs.SCE) from the current density observed (1 mL / hr and 5 mL / respectively hr 2 mA / cm 2 and 7 mA / cm 2), the air bubbles of CO 2 gas is generated catalytic site It can be seen that the conductivity of protons passing through the fuel from the bottom of the microchannel to the PEM may be limited.

完全な微細形成した電池を製造して、開路電位からの線形ボルタンメトリにより1mV/秒の走査速度で試験を行った。表1は、ここに提案した5組の電池間における製造工程の相違を対比して、これら電源装置の電池のパフォーマンスに影響を及ぼす主要なパラメータ(アノード及びカソード構造)を示すものである。   Fully microfabricated batteries were manufactured and tested with linear voltammetry from open circuit potential at a scan rate of 1 mV / sec. Table 1 shows the main parameters (anode and cathode structure) that affect the battery performance of these power supply devices by contrasting the manufacturing process differences between the five proposed batteries.

Figure 2007523460
Figure 2007523460

図10は、サンプルAの電池に関する分極曲線(上方)及び電力曲線(下方)を示す。このサンプルAでは、アノード及びカソードの双方に31μg/cmの触媒をスパッタリングにより設けた。燃料として作用する入口圧力1psigの加湿された水素と、空気からの酸素とは、カソードにおいて還元された。60℃におけるパフォーマンスは、測定された出力密度のピークが4μW/cmであり周囲温度条件の場合の約4倍を越えるものであった。図7に示される水素で動作するアノード半電池の結果と比較して、カソード上に触媒をスパッタリングしたこれら装置の電流密度が低いことは、これら装置のパフォーマンスが空気陰極の触媒活性により制限されることを示している。このことは、カソードにおいて周囲の酸素を還元させると、加圧した水素をアノードで使用する場合にパフォーマンスが制限されるおそれがあるという予想に合致する。 FIG. 10 shows the polarization curve (upper) and power curve (lower) for the sample A battery. In Sample A, 31 μg / cm 2 of catalyst was provided by sputtering on both the anode and the cathode. Humidified hydrogen with an inlet pressure of 1 psig acting as fuel and oxygen from the air was reduced at the cathode. The performance at 60 ° C. was a measured power density peak of 4 μW / cm 2 , more than about 4 times that at ambient temperature conditions. The low current density of these devices with the catalyst sputtered on the cathode compared to the results for the hydrogen half-cell shown in FIG. 7 limits the performance of these devices due to the catalytic activity of the air cathode. It is shown that. This is consistent with the expectation that reducing ambient oxygen at the cathode may limit performance when using pressurized hydrogen at the anode.

厚膜インキ触媒を、空気吸入カソード上へ被着させ触媒面積及び触媒活性を改善した。膜の上部に印刷した触媒インクを用いると、カソードの触媒ローディングが増加するため完全な電池のパフォーマンスが著しく増大した。カソードにおける酸素の還元が著しく改善されるため、もはや制限的な電極ではなくなった。厚膜カソードを有する電池のパフォーマンスは、アノードの組成の関数となった。   A thick film ink catalyst was deposited on the air inlet cathode to improve catalyst area and activity. Using a catalyst ink printed on top of the membrane significantly increased the performance of the complete cell due to increased cathode catalyst loading. Since the reduction of oxygen at the cathode is significantly improved, it is no longer a limiting electrode. The performance of the cell with the thick film cathode was a function of the anode composition.

図11は、周囲温度、40℃及び60℃におけるサンプルBに関する分極曲線(上方)及び出力曲線(下方)を示す。このサンプルBは、サンプルAと同様の膜及びアノードを有するが、カソードに触媒インク及び金の多孔質電流コレクタを使用した。入口圧力1psigの水素を燃料とし、カソードは空気吸入性にした。室温での分極曲線は、図7の水素半電池の結果に極めて類似した電流密度を示している。サンプルBのパフォーマンスは、0.23V及び60℃におけるピーク出力密度が42μW/cmであり、サンプルAの場合より約1桁大きくなった。これらの2つの結果は、カソードにスパッタリングした触媒を用いる代わりに印刷した触媒を使用すると、アノードがサンプルのパフォーマンスを規定することを示している。 FIG. 11 shows the polarization curve (upper) and output curve (lower) for Sample B at ambient temperature, 40 ° C. and 60 ° C. Sample B had the same membrane and anode as Sample A, but used a catalytic ink and gold porous current collector at the cathode. Hydrogen with an inlet pressure of 1 psig was used as fuel, and the cathode was made to be air breathable. The polarization curve at room temperature shows a current density very similar to the result of the hydrogen half-cell of FIG. The performance of sample B was 42 μW / cm 2 with a peak power density at 0.23 V and 60 ° C., which was about an order of magnitude higher than for sample A. These two results show that the anode defines the performance of the sample when using a printed catalyst instead of using a catalyst sputtered on the cathode.

温度依存性があるため、高温でより大きな電力出力を得ることができた。燃料電池においては廃熱が発生するが、これらの装置の寸法及び発生する電力量から、高温で操作するのに十分な熱を保持し得ないことが示唆される。総合燃料電池であれば、電池を組み込んだ回路(又は他の電子装置)から放出される熱をある程度使用しうる場合がある。   Due to the temperature dependence, a larger power output could be obtained at high temperatures. Waste heat is generated in fuel cells, but the dimensions of these devices and the amount of power generated suggest that they cannot hold enough heat to operate at high temperatures. In the case of an integrated fuel cell, the heat released from the circuit (or other electronic device) incorporating the battery may be used to some extent.

アノードの触媒活性及び表面積を改善することにより、更に電流及び出力密度を高くすることができる。触媒ローディングを増大させることによりアノードのパフォーマンスが改善された。図12は、アノードにスパッタリングした触媒の量が異なる3つのサンプルに関する室温での分極曲線(上方)及び電力曲線(下方)を示す。入口圧力1psigの水素を燃料とし、厚膜カソードは空気吸入性にした。各サンプルの微小チャネルの底部には約100μg/cmのPt/Ru固体層を堆積した。膜表面においてサンプルBは17μg/cmのPt/Ruを有し、サンプルCは34μg/cmのPt/Ruを有するようにした。 By improving the catalytic activity and surface area of the anode, the current and power density can be further increased. Anode performance was improved by increasing catalyst loading. FIG. 12 shows room temperature polarization curves (upper) and power curves (lower) for three samples with different amounts of catalyst sputtered onto the anode. Hydrogen with an inlet pressure of 1 psig was used as fuel, and the thick film cathode was made air-breathable. Approximately 100 μg / cm 2 of Pt / Ru solid layer was deposited on the bottom of each sample microchannel. Sample B had a Pt / Ru of 17 μg / cm 2 and Sample C had a Pt / Ru of 34 μg / cm 2 at the membrane surface.

サンプルCは、膜にサンプルBの2倍のPt/Ruをスパッタリングしてあるが、このサンプルBに対するパフォーマンスの改善は50%に満たなかった。Pt/Ruのスパッタリング量を2倍にすることは、触媒の表面積を2倍にすることにはならない。なぜなら、堆積された島部がより大きくなって、より連続的な(より多孔性でない)膜が形成されるためである。   Sample C had the film sputtered twice as much Pt / Ru as Sample B, but the performance improvement over Sample B was less than 50%. Double the sputtering amount of Pt / Ru does not double the surface area of the catalyst. This is because the deposited islands become larger and a more continuous (less porous) film is formed.

電極のパフォーマンスを改善するためには、触媒の表面積、特に電解質と直接接触する触媒量を増大させる必要がある。SiO電解質の薄層であれば、PECVDにより堆積されるので、2つの触媒堆積部の間に堆積させることができる。
サンプルDは、パターン化した犠牲ポリマー上にサンプルCと同じ34μg/cmの触媒層を堆積させて、その後400ÅのSiOを堆積させ、更に8.5μg/cmの追加触媒層を堆積させた後に、より厚肉のSiOPEM層を堆積させたものである。スパッタリングされた第2のPt/Ru層がSiOに埋め込まれることにより、触媒/電解質の接触面積が増大した。サンプルDは膜のPt/Ruを25%多くしただけであるが、このサンプルDの室温におけるピーク出力密度は、サンプルCの4倍を超えるものとなった。電流密度及び出力密度がこのように著しく改善されるのは、触媒の総重量が増加したというだけでなく、SiO埋め込みPt/Ru層により膜/触媒の接触がより多くなったためである。2層のPt/Ru薄層及びそれらの間にある少量のSiOは、プロトン及び電子の双方に対して伝導性の触媒及び電解質の混合マトリックスを形成し、触媒の全表面積、特に電解質と接触する領域を増大させる。
In order to improve electrode performance, it is necessary to increase the surface area of the catalyst, particularly the amount of catalyst in direct contact with the electrolyte. Since a thin layer of SiO 2 electrolyte is deposited by PECVD, it can be deposited between two catalyst deposits.
Sample D deposits the same 34 μg / cm 2 catalyst layer as Sample C on the patterned sacrificial polymer, followed by 400 SiO SiO 2 and an additional 8.5 μg / cm 2 additional catalyst layer. After that, a thicker SiO 2 PEM layer is deposited. Embedding the sputtered second Pt / Ru layer into SiO 2 increased the catalyst / electrolyte contact area. Sample D only increased the Pt / Ru of the film by 25%, but the peak power density at room temperature of Sample D exceeded 4 times that of Sample C. This significant improvement in current density and power density is due not only to an increase in total catalyst weight, but also to more membrane / catalyst contact due to the SiO 2 embedded Pt / Ru layer. The two Pt / Ru thin layers and the small amount of SiO 2 between them form a mixed matrix of catalyst and electrolyte that is conductive to both protons and electrons, and is in contact with the total surface area of the catalyst, especially the electrolyte. Increase the area to be.

水素燃料電池のパフォーマンスを時間の関数として調べ、線形ボルタンメトリにより収集したデータが定電位における定常値と一致するかどうかを確かめた。図13は、10分間定電位に保持した場合のサンプルDの電流密度を示す。このデータは、図14に示すように、1mV/sの線形掃引により収集した値に極めて近いほぼ一定したパフォーマンスを示している。異なる装置を用いてより長時間、例えば数時間にわたり行った試験も同様の結果を示した。SiO膜は、ナフィオン膜のように水で膨潤せず、乾燥によるパフォーマンスの低下といった時間による変化の影響を受けにくい。 The performance of the hydrogen fuel cell was examined as a function of time to see if the data collected by linear voltammetry was consistent with the steady-state value at constant potential. FIG. 13 shows the current density of sample D when held at a constant potential for 10 minutes. This data shows a nearly constant performance very close to the value collected by a linear sweep of 1 mV / s, as shown in FIG. Tests conducted using different devices for longer periods of time, for example several hours, showed similar results. The SiO 2 film does not swell with water like the Nafion film, and is not easily affected by changes due to time such as a decrease in performance due to drying.

図15は、厚膜カソードを有する微小チャネルの完全な電池であるサンプルEについて、酸性メタノール溶液を用いて1mL/時間の流速で室温において動作させた場合の分極曲線及び出力曲線を示す。メタノールを酸化させるのに膜にある多孔性Pt/Ruの他に微小チャネル底部の固体触媒層が利用されるが、これは燃料溶液がプロトンを伝導するためである。燃料として水素を用いた場合より開路電位は低くなっているが、ピーク電流及び出力密度は、水素を用いた同じ装置より極めて高くなっている。   FIG. 15 shows the polarization and output curves for sample E, a microchannel complete cell with a thick film cathode, when operated at room temperature with an acidic methanol solution at a flow rate of 1 mL / hr. In addition to the porous Pt / Ru in the membrane, a solid catalyst layer at the bottom of the microchannel is used to oxidize the methanol because the fuel solution conducts protons. Although the open circuit potential is lower than when hydrogen is used as the fuel, the peak current and power density are much higher than the same device using hydrogen.

これらの実験により、微細形成燃料電池のパフォーマンスを更に向上させるのに用いられるある傾向が示された。微小チャネルの底部に触媒を追加することは、伝導性の燃料を用いる場合に有効な技術である。また、複数のSiO埋め込み層を使用して気孔率を維持しながら膜の触媒量を増大させることで、電流密度を増大させうることが示された。 These experiments have shown a tendency to be used to further improve the performance of microformed fuel cells. Adding a catalyst to the bottom of the microchannel is an effective technique when using a conductive fuel. It was also shown that the current density can be increased by increasing the amount of catalyst in the membrane while maintaining the porosity using a plurality of embedded SiO 2 layers.

本研究による追加領域により、アノード面積の増大といった電極に対する改善効果や、特には伝導率である膜の特性に対する改善効果も得られる。SiOの厚さを減らせばPEMの抵抗が低減するが、アノードの微小チャネル内の燃料圧力により燃料電池が破損されるのを防ぐために機械的強度を維持する必要はある。 The additional areas of this study will also provide an improvement effect on the electrode, such as an increase in anode area, and especially an improvement in the properties of the membrane, which is conductivity. Reducing the thickness of SiO 2 reduces the resistance of the PEM, but it is necessary to maintain mechanical strength to prevent the fuel cell from being damaged by fuel pressure in the anode microchannel.

結論
犠牲ポリマーに基づく微小チャネル及びSiO薄膜を用いた微小燃料電池の製造及び試験に成功した。低温PECVDによる二酸化ケイ素膜は、薄膜集積装置に用いうることを示すものである。堆積温度を低下させることにより、この研究で用いられる電極により得られる電流密度に対して許容されるレベルまで膜の伝導率が増大した。
It succeeded in manufacture and testing of micro fuel cell using the micro channel and SiO 2 thin film based on the conclusion sacrificial polymer. This shows that a silicon dioxide film formed by low-temperature PECVD can be used for a thin film integrated device. By reducing the deposition temperature, the conductivity of the film was increased to an acceptable level for the current density obtained by the electrodes used in this study.

触媒のスパッタリング工程とSiOの堆積工程とを繰り返して触媒マトリックスを形成することにより、触媒及び膜触媒の接触面積が増大した電極が得られる。酸性メタノールのような伝導性の検体を使用すれば、膜と接触していない追加的な触媒を利用することができる。 By repeating the catalyst sputtering step and the SiO 2 deposition step to form a catalyst matrix, an electrode having an increased contact area between the catalyst and the membrane catalyst can be obtained. If a conductive analyte such as acidic methanol is used, an additional catalyst not in contact with the membrane can be utilized.

実施例2
集積回路の製造に一般的に用いられている多くの処理を用いて、シリコン集積回路ウェーハ上に微細形成燃料電池を構成し構造化した。このような処理には、スパッタリング、ポリマースピンコーティング、反応性イオンエッチング及びホトリソグラフ処理がある。これらの薄膜燃料電池に使用するプロトン交換膜として、リンをドープした二酸化ケイ素について研究を行った。リンをドープした二酸化ケイ素は、プラズマ加速化学蒸着(PECVD)により堆積する。このようなリンをドープした二酸化ケイ素のイオン伝導度は、微細形成電池において先程使用した低温堆積SiOより2桁以上大きい。厚さが6μmで抵抗が100kΩの膜は、60Ωcmの面積抵抗を有し、この値はナフィオン117上に厚さ175μmの厚膜を堆積させたものより好ましい。微細形成された燃料電池にリンをドープしたSiOを使用することにより、ドープしていない二酸化ケイ素を用いた従来の電池を上回る改善されたパフォーマンスが得られた。
Example 2
A microfabricated fuel cell was constructed and structured on a silicon integrated circuit wafer using a number of processes commonly used in integrated circuit fabrication. Such processes include sputtering, polymer spin coating, reactive ion etching and photolithography processes. As a proton exchange membrane for use in these thin film fuel cells, phosphorous-doped silicon dioxide was studied. Phosphorous doped silicon dioxide is deposited by plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD). The ionic conductivity of such phosphorus-doped silicon dioxide is more than two orders of magnitude higher than the low temperature deposited SiO 2 used earlier in the microfabricated battery. A film having a thickness of 6 μm and a resistance of 100 kΩ has an area resistance of 60 Ωcm 2 , and this value is more preferable than a film having a thickness of 175 μm deposited on Nafion 117. By using phosphorus doped SiO 2 in the microfabricated fuel cell, improved performance was obtained over conventional cells using undoped silicon dioxide.

実験方法
この微細形成燃料電池の線図的断面は、図3Aに示すものと類似している。薄膜燃料電池を製造するのに使用する材料及び工程については既に説明した。微細チャネルを形成するために、犠牲ポリマーとしてUnity2000P(オハイオ州ブレックスヴィルのPromerus社)を使用した。触媒層は、CVC DCスパッタリング装置(ニューヨーク州ロチェスターのCVC Products社)を使用してスパッタリング堆積した。ソースターゲットとして、原子比50:50のプラチナ/ルテニウムターゲット(ニューヨーク州ブルースターのWilliams Thin-Film Products社)を使用した。
Experimental Method The schematic cross section of this microformed fuel cell is similar to that shown in FIG. 3A. The materials and processes used to manufacture the thin film fuel cell have already been described. To form the microchannels, Unity 2000P (Promerus, Brexville, Ohio) was used as the sacrificial polymer. The catalyst layer was sputter deposited using a CVC DC sputtering apparatus (CVC Products, Rochester, NY). A platinum / ruthenium target (Williams Thin-Film Products, Brewster, NY) with an atomic ratio of 50:50 was used as the source target.

SiOの堆積は、PECVDシステムにおいて約75〜250℃の温度で行った。反応ガスは、シラン及び亜酸化窒素とし、動作圧は約600mTorrとした。リンをドープした二酸化ケイ素(P−SiO)は、標準のシランガス(Heの5.0%のSiH)に代えて、ヘリウムキャリアガス中に0.3%ホスフィン及び5.0%シランの混合ガスを用いることにより堆積した。代表的には、PH/SiH対NO(又はSiH対N0)の流速比を2.25とし、動作温度を100℃とした。これらの値について、他のパラメータを同じにしておき1回につき1つのパラメータを変化させた。基板上の選択領域への堆積を防止するための物理的マスクを使用して、Alpha−Step表面プロファイルメータ(カリフォルニア州サンノゼのKLA−Tencor社)を用いて膜厚を測定した。従来の燃料電池装置に用いられていたドープしていないSiOPEM層(これらによるデータの一部を比較のために示す)の堆積を、Plasma−Therm PECVDシステム(フロリダ州サンクトペテルスブルグPlasma−Therm社)を用いて100℃で他のパラメータを同じにして行った。 The SiO 2 deposition was performed at a temperature of about 75-250 ° C. in a PECVD system. The reaction gas was silane and nitrous oxide, and the operating pressure was about 600 mTorr. Phosphorus-doped silicon dioxide (P-SiO 2), instead of the standard silane gas (SiH 4 of 5.0% the He), mixtures of 0.3% phosphine and 5.0% silane in helium carrier gas Deposited by using gas. Typically, the flow rate ratio of PH 3 / SiH 4 to N 2 O (or SiH 4 to N 2 0) was 2.25 and the operating temperature was 100 ° C. For these values, the other parameters were kept the same, and one parameter was changed at a time. Film thickness was measured using an Alpha-Step surface profile meter (KLA-Tencor, San Jose, Calif.) Using a physical mask to prevent deposition on selected areas on the substrate. The deposition of an undoped SiO 2 PEM layer (some of these data is shown for comparison) used in conventional fuel cell devices was performed using a Plasma-Therm PECVD system (St. Petersburg, Fla. Plasma-Therm). ) And other parameters were made the same at 100 ° C.

フーリエ変換赤外線分光分析(FTIR)を、Nicoletモデル560及びOmnicソフトウェアを使用して行った。インピーダンス分光分析(IS)及び線形ボルタモグラムを含む全ての電気化学的測定は、PerkinEkner PARSTAT 2263(ニュージャージー州プリンストンのEG&G)電気化学システムを用いて行った。線形掃引ボルタンメトリの走査速度は1mV/sとした。水素は、加圧タンクの超高純度ガスから加湿のためにハブラを通過させ細管を通じてアノード微小チャネルに供給した。イオン伝導度は、実際の電池の場合と同様に、SiO薄膜をアルミニウム被覆基板上へ堆積させ、水銀プローブに接触させることによりインピーダンス分光分析を用いて測定した。インピーダンス測定を行う周波数範囲は100mHz〜1MHzとし、AC信号の振幅は10mVとした。 Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) was performed using Nicolet model 560 and Omni software. All electrochemical measurements, including impedance spectroscopy (IS) and linear voltammograms, were performed using a PerkinEkner PARSTAT 2263 (EG & G, Princeton, NJ) electrochemical system. The scanning speed of the linear sweep voltammetry was 1 mV / s. Hydrogen was supplied from the ultra-high purity gas in the pressurized tank through the hubra for humidification and supplied to the anode microchannel through a thin tube. The ionic conductivity was measured using impedance spectroscopy by depositing a SiO 2 thin film on an aluminum-coated substrate and contacting a mercury probe, as in the case of an actual battery. The frequency range for impedance measurement was 100 mHz to 1 MHz, and the amplitude of the AC signal was 10 mV.

結果及び考察
アルミニウム被覆ガラススライド上に、SiO膜及びリンをドープしたSiO(P−SiO)膜を、1.4〜1.5μmの厚さに堆積した。このアルミニウム被覆基板上のP−SiO薄膜のイオン伝導度を、インピーダンス分光分析(IS)を用いて測定した。図16及び17は、伝導率に対する2つのパラメータ、即ち温度及びガス比の影響を示す。図16のデータは、ガス流速のみを変化させて、400Wの出力で100℃で堆積させたサンプルから得られたものでる。PH/SiHに対するNOの比率を、標準の2.25から1〜0.5まで低下させることにより、伝導度は上記比率が僅かに0.5となるまで増大した。
On Results and Discussion aluminum-coated glass slides, the SiO 2 (P-SiO 2) film doped with SiO 2 film and phosphorus was deposited to a thickness of 1.4~1.5Myuemu. The ionic conductivity of the P—SiO 2 thin film on the aluminum-coated substrate was measured using impedance spectroscopy (IS). Figures 16 and 17 show the effect of two parameters on conductivity, namely temperature and gas ratio. The data in FIG. 16 was obtained from a sample deposited at 100 ° C. with a power of 400 W, varying only the gas flow rate. The ratio of N 2 O with respect to PH 3 / SiH 4, by decreasing from the standard 2.25 to 1 to 0.5, the conductivity was increased to the ratio becomes slightly 0.5.

図17は、P−SiOの伝導率は元のSiO膜のように堆積温度に依存しないことを示している。これらの膜は、標準のガス比2.25で出力を400Wとして堆積した。このことは、P−SiOのイオン伝導度は、温度を低下させたことによるシラノール濃度の増加ではなく、リンにより改善されたことの明確な根拠となる。リンの量は、堆積温度によって著しく変化しない。PPC犠牲ポリマーの分解温度が低いため、燃料電池装置のP−SiOの堆積には引き続き100℃の温度を使用する。 FIG. 17 shows that the conductivity of P—SiO 2 does not depend on the deposition temperature as in the original SiO 2 film. These films were deposited with a standard gas ratio of 2.25 and an output of 400W. This is a clear basis that the ionic conductivity of P—SiO 2 was improved by phosphorus rather than an increase in silanol concentration due to a decrease in temperature. The amount of phosphorus does not vary significantly with the deposition temperature. Due to the low decomposition temperature of the PPC sacrificial polymer, a temperature of 100 ° C. is subsequently used for the deposition of P-SiO 2 in the fuel cell device.

P−SiO膜の伝導率は、ドープしてないSiOと比べて著しく増大しているが、ナフィオンのような一般的に用いられる他のPEMよりも低く維持されている。但し、これらは他の燃料電池膜より極めて薄肉である。押出し成形されたナフィオン膜(1100重量当量)の面積抵抗は、0.1〜0.35Ωcm(15)である。100℃で堆積した3μmのP−SiO厚膜の面積抵抗は、室温で30Ωcmである。抵抗が比較的高いことにより、高電流での電池電圧が低減される。 Conductivity of the P-SiO 2 film, but significantly increased in comparison with the SiO 2 undoped, is maintained lower than generally other PEM used as Nafion. However, these are extremely thinner than other fuel cell membranes. The sheet resistance of the extruded Nafion membrane (1100 weight equivalent) is 0.1 to 0.35 Ωcm 2 (15). The sheet resistance of a 3 μm thick P—SiO 2 film deposited at 100 ° C. is 30 Ωcm 2 at room temperature. Due to the relatively high resistance, the battery voltage at high current is reduced.

微細形成燃料電池のPEMとしてP−SiO薄膜を使用してドープしてないSiO膜と比較した。この場合もPECVDチャンバの堆積温度は100℃とした。種々の製造方法の場合についてイオン伝導度の測定試験を行ったが、幾つかのガス比の場合における膜の機械的強度は、標準的なSiOの製造方法のものよりも劣っていた。このため、最初のリンをドーピングした燃料電池装置では、標準的な製造方法を用いてシランをホスフィン−シランガスに代えるだけとした。しかし、これら膜は、従来のSiO膜ほど強くなく、より厚肉に堆積する必要があった。 It was compared with SiO 2 film not doped using P-SiO 2 thin film as a PEM fine form the fuel cell. Also in this case, the deposition temperature in the PECVD chamber was set to 100 ° C. Ionic conductivity measurements were tested for various manufacturing methods, but the mechanical strength of the membrane at several gas ratios was inferior to that of the standard SiO 2 manufacturing method. For this reason, in the first fuel cell device doped with phosphorus, silane was simply replaced with phosphine-silane gas using a standard manufacturing method. However, these films are not as strong as the conventional SiO 2 film and have to be deposited thicker.

前述した工程を利用して完全な微細形成電池を製造し、線形ボルタンメトリにより開路電位から1mV/秒の走査速度で試験した。装置のPEMとして6μmの厚さのドープしたP−SiOを使用することに成功した。図18は、膜表面に150ÅのPt/Ruを設け且つ厚膜カソードとした電池(U−56)の分極曲線及び出力曲線を示す。入口圧力1psigの水素を燃料として作用させ、カソードは空気吸入性にした。結果を、前述した二重触媒層のサンプル(04−28)である250ÅのPt/Ruによる結果と共にプロットした。720mVの開路電位は約70mV高いものであった。これは、おそらくPEMがより厚肉であるためで、このことが燃料通過及び電気分離に対して好ましい影響を与えた。イオン伝導度がドープしていないSiOより高かったため、より厚肉の膜により電流密度が減少したようには思われない。ドープしたサンプルは触媒を全体に有するものでなく、表面の一部に堆積させたものであるにも拘わらず、ピーク出力密度は36μW/cmであり他のサンプルより約40%大きかった。双方のサンプルのピーク出力密度は、約1mA/cmで得られたが、この電流におけるドープしたサンプルの電圧は約100mVであった。 A complete microfabricated battery was fabricated using the process described above and tested by linear voltammetry at a scan rate of 1 mV / sec from the open circuit potential. We have successfully used 6 μm thick doped P—SiO 2 as the PEM for the device. FIG. 18 shows a polarization curve and an output curve of a battery (U-56) in which 150 μm of Pt / Ru is provided on the film surface and a thick film cathode is used. Hydrogen with an inlet pressure of 1 psig was allowed to act as fuel, and the cathode was air-breathable. The results were plotted together with the results from 250 liters of Pt / Ru, which was the double catalyst layer sample (04-28) described above. The open circuit potential at 720 mV was about 70 mV higher. This was probably due to the thicker PEM, which had a positive impact on fuel passage and electrical separation. Since the ionic conductivity was higher than undoped SiO 2 , the current density does not appear to be reduced by the thicker film. Although the doped sample did not have the catalyst as a whole and was deposited on a portion of the surface, the peak power density was 36 μW / cm 2 , about 40% greater than the other samples. The peak power density of both samples was obtained at about 1 mA / cm 2 , but the voltage of the doped sample at this current was about 100 mV.

結論
SiOにリンを添加することにより、これをPEMとして使用した場合に膜のイオン伝導度が増大し、微細形成燃料電池の全体的なパフォーマンスが改善されることが示された。ホスフィンガスを追加することを除いて従来使用されてきたSiO膜と同じ処理条件で堆積したP−SiO膜の伝導率は、ドープしてない低温SiO膜の約50倍の大きさであった。伝導率がこのように増加するため、プロトン移動に対する抵抗をなお低くしながら、装置の機械的強度を改善するためにより厚肉のPEM層を堆積させることができる。このようなより厚肉の膜によれば開路電位も改善され、全体的なパフォーマンスがより良好になる。P−SiOサンプルのパフォーマンスは、良好なアノードを有するサンプルを含む全てのドープしてないSiOサンプルよりも向上されたものとなった。P−SiOは、これら装置に対して好ましい薄膜PEM材料であることが分かった。
Conclusion The addition of phosphorus to SiO 2 has been shown to increase the ionic conductivity of the membrane when it is used as a PEM, improving the overall performance of the microfabricated fuel cell. The conductivity of the P-SiO 2 film deposited under the same processing conditions as the SiO 2 film conventionally used except for the addition of phosphine gas is about 50 times as large as that of the undoped low-temperature SiO 2 film. there were. Because of this increase in conductivity, a thicker PEM layer can be deposited to improve the mechanical strength of the device while still reducing the resistance to proton transfer. Such a thicker membrane also improves the open circuit potential and improves overall performance. Performance of P-SiO 2 samples became those improved than SiO 2 samples not all of dope containing a sample having a good anode. P-SiO 2 was found to be preferred thin PEM material for these devices.

上述した実施例は、本発明の単なる実施可能な例であり、本発明の原理を明瞭に理解するために記載されたものであることを強調しておく。本発明の原理及び精神を逸脱することなく、上記の実施例に対して多くの変型及び修正を加えることができる。このような全ての修正及び変更は、本発明の範囲内に含まれるもので特許請求の範囲により保護されることを意図するものである。   It should be emphasized that the above-described embodiments are merely possible examples of the invention and have been described in order to provide a clear understanding of the principles of the invention. Many variations and modifications may be made to the above-described embodiments without departing from the principles and spirit of the invention. All such modifications and changes are intended to be included herein within the scope of this invention and protected by the following claims.

図1は、代表的な燃料電池膜の線図的断面図である。FIG. 1 is a diagrammatic cross-sectional view of a typical fuel cell membrane. 図2は、他の代表的な燃料電池膜の線図的断面図である。FIG. 2 is a diagrammatic cross-sectional view of another representative fuel cell membrane. 図3A〜3Dは、微小燃料電池の4つの例を示す線図である。3A to 3D are diagrams showing four examples of a micro fuel cell. 図4A〜4Hは、図3Aに示される微小燃料電池の代表的な製造方法を示す線図的断面図である。4A to 4H are schematic sectional views showing a typical manufacturing method of the micro fuel cell shown in FIG. 3A. 図5は、スパッタリングされたプラチナ/ルテニウム(Pt/Ru)のXPS走査線図である。FIG. 5 is an XPS scan diagram of sputtered platinum / ruthenium (Pt / Ru). 図6は、スパッタリングされたプラチナ膜の抵抗の測定値及び計算値をプロットしたグラフである。FIG. 6 is a graph plotting measured and calculated resistance values of a sputtered platinum film. 図7は、インピーダンス分光分析により測定したSiO膜のイオン伝導度をプロットしたグラフである。FIG. 7 is a graph plotting the ionic conductivity of the SiO 2 film measured by impedance spectroscopy. 図8は、加湿した水素を用いた場合の微小チャネルの半電池パフォーマンスをプロットしたグラフである。FIG. 8 is a graph plotting microchannel half-cell performance with humidified hydrogen. 図9は、それぞれメタノール−水溶液及び酸性メタノール−水溶液を用いた場合の微小チャネル半電池のパフォーマンスをプロットしたグラフである。FIG. 9 is a graph plotting the performance of a microchannel half-cell when using a methanol-water solution and an acidic methanol-water solution, respectively. 図10は、スパッタリングされたアノード及びカソードを有する微小燃料電池のパフォーマンスをプロットしたグラフである。FIG. 10 is a graph plotting the performance of a micro fuel cell with a sputtered anode and cathode. 図11は、様々な温度におけるサンプルBの微小燃料電池のパフォーマンスをプロットしたグラフである。FIG. 11 is a graph plotting the performance of Sample B micro fuel cell at various temperatures. 図12は、スパッタリングしたアノード触媒の量がそれぞれ異なるサンプルB、C及びDの微小燃料電池の環境温度におけるパフォーマンスをプロットしたグラフである。FIG. 12 is a graph plotting the performance at ambient temperature of micro fuel cells of Samples B, C, and D having different amounts of sputtered anode catalyst. 図13は、約10分間に亘り定電位に保持した埋め込み触媒サンプルの電流密度をプロットしたグラフである。FIG. 13 is a graph plotting the current density of an embedded catalyst sample held at a constant potential for about 10 minutes. 図14は、サンプルDについて室温で加湿した水素を用いた場合の線形ボルタンメトリ分極データ及び(10分における)定常状態のデータを比較してプロットした線図である。FIG. 14 is a diagram plotting sample D comparing and comparing linear voltammetric polarization data and steady-state data (at 10 minutes) with hydrogen humidified at room temperature. 図15は、1mL/hrで1.0Mの酸性メタノールを用いた場合の微小チャネル燃料電池のパフォーマンスをプロットしたグラフである。FIG. 15 is a graph plotting the performance of a microchannel fuel cell using 1.0 M acidic methanol at 1 mL / hr. 図16は、P−SiO膜の伝導度をガス比の関数としてプロットしたグラフである。FIG. 16 is a graph plotting the conductivity of the P—SiO 2 film as a function of gas ratio. 図17は、P−SiO膜の伝導率を堆積温度の関数としてプロットしたグラフである。FIG. 17 is a graph plotting the conductivity of the P—SiO 2 film as a function of deposition temperature. 図18は、リンをドープしたSiO及びドープしてないSiOのサンプルの室温における分極曲線及び出力曲線をプロットしたグラフである。FIG. 18 is a graph plotting polarization curves and output curves at room temperature for samples of SiO 2 doped with phosphorus and undoped SiO 2 .

Claims (30)

有機伝導材料、無機伝導材料及びこれらの組合せから選択した材料を含む膜とを有する燃料電池であって、
この膜の厚さは約0.01〜10μmであり、
この膜の面積抵抗は約O.1〜1000Ωcmである燃料電池。
A fuel cell having a membrane comprising a material selected from organic conductive materials, inorganic conductive materials and combinations thereof,
The thickness of this film is about 0.01-10 μm,
The sheet resistance of this film is about O.D. A fuel cell that is 1-1000 Ωcm 2 .
請求項1に記載の燃料電池において、
前記膜の厚さは約0.1〜5μmである燃料電池。
The fuel cell according to claim 1, wherein
The fuel cell having a thickness of about 0.1 to 5 μm.
請求項1に記載の燃料電池において、
前記膜の厚さは約0.1〜2μmである燃料電池。
The fuel cell according to claim 1, wherein
The fuel cell having a thickness of about 0.1 to 2 μm.
請求項1に記載の燃料電池において、
前記膜の面積抵抗は約1〜100Ωcmである燃料電池。
The fuel cell according to claim 1, wherein
A fuel cell in which the sheet has a sheet resistance of about 1 to 100 Ωcm 2 .
請求項1に記載の燃料電池において、
前記膜の面積抵抗は約1〜10Ωcmである燃料電池。
The fuel cell according to claim 1, wherein
A fuel cell in which the sheet has a sheet resistance of about 1 to 10 Ωcm 2 .
請求項1に記載の燃料電池において、
前記材料を、二酸化ケイ素、ドープした二酸化ケイ素、窒化ケイ素、ドープした窒化ケイ素、酸窒化ケイ素、ドープした酸窒化ケイ素、金属酸化物、ドープした金属酸化物、金属窒化物、ドープした金属窒化物、金属酸窒化物、ドープした金属酸窒化物及びこれらの組合せから選択した燃料電池。
The fuel cell according to claim 1, wherein
Said material is silicon dioxide, doped silicon dioxide, silicon nitride, doped silicon nitride, silicon oxynitride, doped silicon oxynitride, metal oxide, doped metal oxide, metal nitride, doped metal nitride, A fuel cell selected from metal oxynitrides, doped metal oxynitrides, and combinations thereof.
請求項6に記載の燃料電池において、
ドープした二酸化ケイ素を、リンをドープした二酸化ケイ素、ホウ素をドープした二酸化ケイ素及びこれらの組合せから選択した燃料電池。
The fuel cell according to claim 6, wherein
A fuel cell wherein the doped silicon dioxide is selected from phosphorous doped silicon dioxide, boron doped silicon dioxide and combinations thereof.
請求項1に記載の燃料電池において、
この燃料電池は更に、前記膜の一方の側に配置された触媒を含み、
前記触媒を、プラチナ、プラチナ/ルテニウム、ニッケル、テルル、チタン、これら各々の合金及びこれらの組合せから選択した燃料電池。
The fuel cell according to claim 1, wherein
The fuel cell further includes a catalyst disposed on one side of the membrane,
A fuel cell wherein the catalyst is selected from platinum, platinum / ruthenium, nickel, tellurium, titanium, their respective alloys and combinations thereof.
請求項8に記載の燃料電池において、
この燃料電池は更に、前記膜の他方の側にポリマー層を有し、
このポリマー層は、前記膜の側の反対側に配置された触媒を有する燃料電池。
The fuel cell according to claim 8, wherein
The fuel cell further has a polymer layer on the other side of the membrane,
The polymer layer has a catalyst disposed on the opposite side of the membrane side.
請求項1に記載の燃料電池において、
前記膜の厚さは約0.1〜2μmであり、面積抵抗は約1〜10Ωcmである燃料電池。
The fuel cell according to claim 1, wherein
The fuel cell having a thickness of about 0.1 to 2 μm and a sheet resistance of about 1 to 10 Ωcm 2 .
アノード電流コレクタの配置された基板と、
このアノード電流コレクタ上に配置された膜であって、この膜が、二酸化ケイ素、ドープした二酸化ケイ素、窒化ケイ素、ドープした窒化ケイ素、酸窒化ケイ素、ドープした酸窒化ケイ素、金属酸化物、ドープした金属酸化物、金属窒化物、ドープした金属窒化物、金属酸窒化物、ドープした金属酸窒化物及びこれらの組合せから選択した材料を含んでおり、この膜の厚さが約0.01〜10μmであり、この膜の面積抵抗が約0.1〜1000Ωcmである当該膜と、
前記基板の一部と前記膜の一部とにより実質的に画成される中空チャンネルであって、少なくとも1層の触媒層がチャネルに露出されており、前記アノード電流コレクタが、前記チャネルに隣接して配置されている当該中空チャネルと、
前記膜の、前記基板の側と反対側に配置されたカソード電流コレクタと
を有する微小燃料電池であって、
前記触媒層及び前記アノード電流コレクタ間に導電経路が存在している
微小燃料電池。
A substrate on which an anode current collector is disposed;
A film disposed on the anode current collector, the film being silicon dioxide, doped silicon dioxide, silicon nitride, doped silicon nitride, silicon oxynitride, doped silicon oxynitride, metal oxide, doped The material comprises a material selected from metal oxides, metal nitrides, doped metal nitrides, metal oxynitrides, doped metal oxynitrides, and combinations thereof, and the thickness of the film is about 0.01-10 μm. And the film has an area resistance of about 0.1 to 1000 Ωcm 2 ;
A hollow channel substantially defined by a portion of the substrate and a portion of the membrane, wherein at least one catalyst layer is exposed to the channel, and the anode current collector is adjacent to the channel The hollow channel being arranged as
A micro fuel cell having a cathode current collector disposed on the opposite side of the membrane from the substrate side,
A micro fuel cell in which a conductive path exists between the catalyst layer and the anode current collector.
請求項11に記載の微小燃料電池において、
前記触媒層は、前記膜の基板の側である当該膜の一方の側に配置された第1多孔性触媒層を有し、
この第1多孔性触媒層は前記チャネル内に露出されており、
前記第1多孔性触媒層及び前記アノード電流コレクタ間に導電経路が存在している微小燃料電池。
The micro fuel cell according to claim 11, wherein
The catalyst layer has a first porous catalyst layer disposed on one side of the membrane which is the substrate side of the membrane;
The first porous catalyst layer is exposed in the channel;
A micro fuel cell in which a conductive path exists between the first porous catalyst layer and the anode current collector.
請求項12に記載の微小燃料電池において、
前記触媒層は、前記チャネル内で露出された基板上に配置された触媒層を有しており、
この触媒層と、前記第1多孔性触媒層と、前記アノード電流コレクタとの間に導電経路が存在している微小燃料電池。
The micro fuel cell according to claim 12, wherein
The catalyst layer has a catalyst layer disposed on a substrate exposed in the channel;
A micro fuel cell in which a conductive path exists between the catalyst layer, the first porous catalyst layer, and the anode current collector.
請求項11に記載の微小燃料電池において、
前記触媒層は、前記チャネル内で露出された基板上に配置された触媒層を含んでおり、
この触媒層と、前記アノード電流コレクタとの間に導電経路が存在している微小燃料電池。
The micro fuel cell according to claim 11, wherein
The catalyst layer includes a catalyst layer disposed on a substrate exposed in the channel;
A micro fuel cell in which a conductive path exists between the catalyst layer and the anode current collector.
請求項11に記載の微小燃料電池において、
この燃料電池は更に、前記膜の、前記基板の側と反対側に配置される第2多孔性触媒層を有し、
この第2多孔性触媒層と前記カソード電流コレクタとの間に導電経路が存在している微小燃料電池。
The micro fuel cell according to claim 11, wherein
The fuel cell further includes a second porous catalyst layer disposed on the side of the membrane opposite to the substrate side,
A micro fuel cell in which a conductive path exists between the second porous catalyst layer and the cathode current collector.
請求項15に記載の微小燃料電池において、
この微小燃料電池は更に、前記膜の、基板の側と反対側に配置されたポリマー層を有し、
このポリマー層上に、前記カソード電流コレクタと前記第2多孔性触媒層とが配置されている微小燃料電池。
The micro fuel cell according to claim 15, wherein
The micro fuel cell further includes a polymer layer disposed on the side of the membrane opposite to the substrate side,
A micro fuel cell in which the cathode current collector and the second porous catalyst layer are disposed on the polymer layer.
請求項16に記載の微小燃料電池において、
前記ポリマー層が、過フルオロスルホン酸/ポリ四フッ化エチレンコポリマー、ポリフェニルエンスルホン酸、改質ポリイミド及びこれらの組合せから選択されたものである微小燃料電池。
The micro fuel cell according to claim 16, wherein
A micro fuel cell, wherein the polymer layer is selected from perfluorosulfonic acid / polytetrafluoroethylene copolymer, polyphenylene sulfonic acid, modified polyimide, and combinations thereof.
請求項11に記載の微小燃料電池において、
前記触媒層は、プラチナ、プラチナ/ルテニウム、ニッケル、テルル、チタン、これらの合金及びこれらの組合せから選択された触媒を含む微小燃料電池。
The micro fuel cell according to claim 11, wherein
The micro fuel cell, wherein the catalyst layer includes a catalyst selected from platinum, platinum / ruthenium, nickel, tellurium, titanium, alloys thereof, and combinations thereof.
請求項11に記載の微小燃料電池において、
前記膜の厚さは約0.1〜5μmであり、
前記膜の面積抵抗は約1〜100Ωcmである微小燃料電池。
The micro fuel cell according to claim 11, wherein
The thickness of the film is about 0.1-5 μm,
A micro fuel cell in which the sheet has a sheet resistance of about 1 to 100 Ωcm 2 .
微小燃料電池の製造方法であって、
アノード電流コレクタが配置された基板を設ける工程と、
前記基板及び前記アノード電流コレクタ上へ犠牲ポリマー層を配置する工程と、
前記アノード電流コレクタ上に配置されてない部分の犠牲ポリマー材料を除去し、犠牲材料部を形成する工程と、
この犠牲材料部上に第1多孔性触媒層を配置する工程と、
前記犠牲材料部と、前記第1多孔性触媒層と、前記アノード電流コレクタとの上に膜材料の層を配置する工程であって、この膜材料を、二酸化ケイ素、ドープした二酸化ケイ素、窒化ケイ素、ドープした窒化ケイ素、酸窒化ケイ素、ドープした酸窒化ケイ素、金属酸化物、ドープした金属酸化物、金属窒化物、ドープした金属窒化物、金属酸窒化物、ドープした金属酸窒化物及びこれらの組合せから選択する当該工程と、
前記犠牲材料部を除去して、前記基板と、前記膜材料と、前記第1多孔性触媒層とにより実質的に画成される中空チャンネルを形成する工程と
を有する微小燃料電池の製造方法。
A method for manufacturing a micro fuel cell, comprising:
Providing a substrate on which an anode current collector is disposed;
Disposing a sacrificial polymer layer on the substrate and the anode current collector;
Removing a portion of the sacrificial polymer material not disposed on the anode current collector to form a sacrificial material portion;
Disposing a first porous catalyst layer on the sacrificial material portion;
Disposing a layer of membrane material over the sacrificial material portion, the first porous catalyst layer, and the anode current collector, the membrane material comprising silicon dioxide, doped silicon dioxide, silicon nitride Doped silicon nitride, silicon oxynitride, doped silicon oxynitride, metal oxide, doped metal oxide, metal nitride, doped metal nitride, metal oxynitride, doped metal oxynitride and these The process to be selected from the combination;
A method for manufacturing a micro fuel cell, comprising: removing the sacrificial material portion to form a hollow channel substantially defined by the substrate, the membrane material, and the first porous catalyst layer.
請求項20に記載の微小燃料電池の製造方法において、
前記膜材料の、前記基板の側と反対側の頂部に第2多孔性触媒層を配置する工程と、
この第2多孔性触媒層の一部にカソード電流コレクタを配置する工程と
を更に有する微小燃料電池の製造方法。
The method of manufacturing a micro fuel cell according to claim 20,
Disposing a second porous catalyst layer on the top of the membrane material opposite the substrate side;
And a step of disposing a cathode current collector in a part of the second porous catalyst layer.
請求項20に記載の微小燃料電池の製造方法において、
この微小燃料電池の製造方法は更に、
前記膜材料上にポリマー層を配置する工程と、
このポリマー層の、前記膜材料の層の側と反対側の頂部に第2多孔性触媒層を配置する工程と、
前記第2多孔性触媒層の一部上にカソード電流コレクタを配置する工程と
を有する微小燃料電池の製造方法。
The method of manufacturing a micro fuel cell according to claim 20,
The method for manufacturing the micro fuel cell further includes:
Disposing a polymer layer on the membrane material;
Disposing a second porous catalyst layer on top of the polymer layer opposite the layer side of the membrane material;
Disposing a cathode current collector on a part of the second porous catalyst layer.
請求項20に記載の微小燃料電池の製造方法において、
前記ポリマー層を、過フルオロスルホン酸/ポリ四フッ化エチレンコポリマー、ポリフェニルエンスルホン酸、改質ポリイミド及びこれらの組合せから選択する微小燃料電池の製造方法。
The method of manufacturing a micro fuel cell according to claim 20,
A method for producing a micro fuel cell, wherein the polymer layer is selected from perfluorosulfonic acid / polytetrafluoroethylene copolymer, polyphenylenesulfonic acid, modified polyimide, and combinations thereof.
請求項20に記載の微小燃料電池の製造方法において、
前記基板の一部に触媒層を設ける工程であって、
この触媒層を、前記犠牲材料部及び前記基板間にある当該基板の部分に配置する微小燃料電池の製造方法。
The method of manufacturing a micro fuel cell according to claim 20,
Providing a catalyst layer on a part of the substrate,
A method for manufacturing a micro fuel cell, wherein the catalyst layer is disposed on a portion of the substrate between the sacrificial material portion and the substrate.
請求項20に記載の微小燃料電池の製造方法において、
前記犠牲材料を、ポリイミド、ポリノルボルネン、エポキサイド、ポリアリーレンエーテル、ポリアリーレン、無機ガラス及びこれらの組合せから選択する微小燃料電池の製造方法。
The method of manufacturing a micro fuel cell according to claim 20,
A method for producing a micro fuel cell, wherein the sacrificial material is selected from polyimide, polynorbornene, epoxide, polyarylene ether, polyarylene, inorganic glass, and combinations thereof.
微小燃料電池の製造方法であって、
アノード電流コレクタ及び触媒層が配置された基板であって、前記アノード電流コレクタ及び前記触媒層が互いに隣接した当該基板を設ける工程と、
前記基板、前記アノード電流コレクタ及び前記触媒層上へ犠牲ポリマー層を配置する工程と、
前記アノード電流コレクタ上に配置されてない部分の犠牲ポリマー材料を除去し、前記触媒層上に犠牲材料部を形成する工程と、
前記犠牲材料部及び前記アノード電流コレクタ上に膜材料の層を配置する工程であって、前記膜材料を、二酸化ケイ素、ドープした二酸化ケイ素、窒化ケイ素、ドープした窒化ケイ素、酸窒化ケイ素、ドープした酸窒化ケイ素、金属酸化物、ドープした金属酸化物、金属窒化物、ドープした金属窒化物、金属酸窒化物、ドープした金属酸窒化物及びこれらの組合せから選択する当該工程と、
前記犠牲材料部分を除去して、前記基板と、前記膜材料と、前記触媒層とにより実質的に画成される中空チャンネルを形成する工程と
を有する微小燃料電池の製造方法。
A method for manufacturing a micro fuel cell, comprising:
Providing a substrate on which an anode current collector and a catalyst layer are disposed, the anode current collector and the catalyst layer being adjacent to each other;
Disposing a sacrificial polymer layer on the substrate, the anode current collector and the catalyst layer;
Removing a portion of the sacrificial polymer material not disposed on the anode current collector to form a sacrificial material portion on the catalyst layer;
Disposing a layer of film material over the sacrificial material portion and the anode current collector, the film material being doped with silicon dioxide, doped silicon dioxide, silicon nitride, doped silicon nitride, silicon oxynitride, doped The process of selecting from silicon oxynitride, metal oxide, doped metal oxide, metal nitride, doped metal nitride, metal oxynitride, doped metal oxynitride and combinations thereof;
A method of manufacturing a micro fuel cell, comprising: removing the sacrificial material portion to form a hollow channel substantially defined by the substrate, the membrane material, and the catalyst layer.
請求項26に記載の微小燃料電池の製造方法において、
この微小燃料電池の製造方法は更に、
前記膜材料を配置する前に、前記犠牲材料部上へ第1多孔性触媒層を配置する工程を有する微小燃料電池の製造方法。
In the manufacturing method of the micro fuel cell according to claim 26,
The method for manufacturing the micro fuel cell further includes:
A method for manufacturing a micro fuel cell, comprising a step of disposing a first porous catalyst layer on the sacrificial material portion before disposing the membrane material.
請求項26に記載の微小燃料電池の製造方法において、
この微小燃料電池の製造方法は更に、
前記膜材料の、前記基板の側と反対側の頂部に第2多孔性触媒層を配置する工程と、
この第2多孔性触媒層の一部にカソード電流コレクタを配置する工程と
を有する微小燃料電池の製造方法。
In the manufacturing method of the micro fuel cell according to claim 26,
The method for manufacturing the micro fuel cell further includes:
Disposing a second porous catalyst layer on the top of the membrane material opposite the substrate side;
And a step of arranging a cathode current collector in a part of the second porous catalyst layer.
請求項26に記載の微小燃料電池の製造方法において、
この微小燃料電池の製造方法は更に、
前記膜材料上にポリマー層を配置する工程と、
前記ポリマー層の、前記膜材料の層の側と反対側の頂部に第2多孔性触媒層を配置する工程と、
前記第2多孔性触媒層の一部にカソード電流コレクタを配置する工程と
を有する微小燃料電池の製造方法。
In the manufacturing method of the micro fuel cell according to claim 26,
The method for manufacturing the micro fuel cell further includes:
Disposing a polymer layer on the membrane material;
Disposing a second porous catalyst layer on top of the polymer layer opposite the layer side of the membrane material;
And a step of disposing a cathode current collector on a part of the second porous catalyst layer.
請求項26に記載の微小燃料電池の製造方法において、
前記ポリマー層を、過フルオロスルホン酸/ポリ四フッ化エチレンコポリマー、ポリフェニルエンスルホン酸、改質ポリイミド及びこれらの組合せから選択する微小燃料電池の製造方法。
In the manufacturing method of the micro fuel cell according to claim 26,
A method for producing a micro fuel cell, wherein the polymer layer is selected from perfluorosulfonic acid / polytetrafluoroethylene copolymer, polyphenylenesulfonic acid, modified polyimide, and combinations thereof.
JP2006554212A 2004-02-19 2005-02-16 Micro structure and manufacturing method thereof Withdrawn JP2007523460A (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US54577204P 2004-02-19 2004-02-19
PCT/US2005/005088 WO2005079466A2 (en) 2004-02-19 2005-02-16 Micro-fuel cells and method of making

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2007523460A true JP2007523460A (en) 2007-08-16

Family

ID=34886195

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2006554212A Withdrawn JP2007523460A (en) 2004-02-19 2005-02-16 Micro structure and manufacturing method thereof

Country Status (6)

Country Link
US (1) US20080213650A1 (en)
EP (1) EP1721357A2 (en)
JP (1) JP2007523460A (en)
KR (1) KR20070001143A (en)
IL (1) IL177405A0 (en)
WO (1) WO2005079466A2 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2013537698A (en) * 2010-08-18 2013-10-03 イー・アイ・デュポン・ドウ・ヌムール・アンド・カンパニー Durable ionomer polymer for proton exchange membrane and membrane electrode assembly for electrochemical fuel cell applications
TWI643883B (en) * 2013-12-16 2018-12-11 國立大學法人北陸先端科學技術大學院大學 Semiconductor element and its manufacturing method and aliphatic polycarbonate

Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2890492B1 (en) 2005-09-08 2007-10-05 Commissariat Energie Atomique FUEL MICROPILE WITH AN ELECTROLYTIC MEMBRANE REINFORCED BY AN ANCHORING ELEMENT AND METHOD FOR MANUFACTURING A FUEL MICROPILE.
EP1961064A4 (en) * 2005-12-12 2009-11-11 Georgia Tech Res Inst Fuel cell with porous frit based composite proton exchange membrane
US20070259236A1 (en) * 2006-05-03 2007-11-08 Lang Christopher M Anionic fuel cells, hybrid fuel cells, and methods of fabrication thereof
SE530745C2 (en) * 2006-10-06 2008-09-02 Morphic Technologies Ab Publ Method of running a fuel cell wherein the anode has a catalyst comprising tellurium
US7776386B2 (en) * 2007-01-31 2010-08-17 Motorola, Inc. Method for forming a micro fuel cell
US8389165B2 (en) * 2008-11-29 2013-03-05 Palo Alto Research Center Incorporated Printed fuel cell with integrated gas channels
US20120202135A1 (en) * 2009-09-03 2012-08-09 E.I. Du Pont De Nemours And Company Improved catalyst coated membranes having composite, thin membranes and thin cathodes for use in direct methanol fuel cells
KR101459884B1 (en) * 2013-03-15 2014-11-07 상명대학교서울산학협력단 Facilitated Transport Membranes for Olefin Separation Using Aluminium Salt
EP3768878B1 (en) * 2018-03-23 2022-05-04 3M Innovative Properties Company Fluorinated membrane articles

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7427526B2 (en) * 1999-12-20 2008-09-23 The Penn State Research Foundation Deposited thin films and their use in separation and sacrificial layer applications
US6835488B2 (en) * 2000-05-08 2004-12-28 Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha Fuel cell with patterned electrolyte/electrode interface
US6524750B1 (en) * 2000-06-17 2003-02-25 Eveready Battery Company, Inc. Doped titanium oxide additives
JP2004288388A (en) * 2003-03-19 2004-10-14 Aisin Seiki Co Ltd Electrode for fuel cell, its manufacturing method, and fuel cell
KR100509298B1 (en) * 2003-05-31 2005-08-22 한국과학기술연구원 Method to manufacture composite polymer electrolyte membranes coated with inorganic thin films for direct methanol fuel cells

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2013537698A (en) * 2010-08-18 2013-10-03 イー・アイ・デュポン・ドウ・ヌムール・アンド・カンパニー Durable ionomer polymer for proton exchange membrane and membrane electrode assembly for electrochemical fuel cell applications
TWI643883B (en) * 2013-12-16 2018-12-11 國立大學法人北陸先端科學技術大學院大學 Semiconductor element and its manufacturing method and aliphatic polycarbonate
US10340388B2 (en) 2013-12-16 2019-07-02 Japan Advanced Institute Of Science And Technology Intermediate semiconductor device having an aliphatic polycarbonate layer
TWI671332B (en) * 2013-12-16 2019-09-11 國立大學法人北陸先端科學技術大學院大學 Intermediate of semiconductor element, method of manufacturing semiconductor element, and device for manufacturing semiconductor element
US10749034B2 (en) 2013-12-16 2020-08-18 Japan Advanced Institute Of Science And Technology Semiconductor device, method for producing same and aliphatic polycarbonate

Also Published As

Publication number Publication date
EP1721357A2 (en) 2006-11-15
WO2005079466A3 (en) 2005-12-01
IL177405A0 (en) 2006-12-10
WO2005079466A2 (en) 2005-09-01
US20080213650A1 (en) 2008-09-04
KR20070001143A (en) 2007-01-03

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP2007523460A (en) Micro structure and manufacturing method thereof
US6890677B2 (en) Fuel cell and membrane
US6841290B2 (en) Fuel cell and membrane
US7875404B2 (en) Microstructures and methods of fabrication thereof
Li et al. Measurements of water uptake and transport properties in anion-exchange membranes
Evans et al. Review on microfabricated micro-solid oxide fuel cell membranes
US20070259236A1 (en) Anionic fuel cells, hybrid fuel cells, and methods of fabrication thereof
US20090092862A1 (en) Integrated self contained sensor assembly
Mitrovski et al. A passive microfluidic hydrogen–air fuel cell with exceptional stability and high performance
US8133634B2 (en) Fuel cell with porous frit based composite proton exchange membrane
Yu et al. The construction of integrated Si-based micro proton exchange membrane fuel cells with improved performances
Moore et al. Microfabricated fuel cells with thin-film silicon dioxide proton exchange membranes
Mex et al. Miniaturized fuel cells based on microsystem technologies
JP5425061B2 (en) Planar fuel cell and manufacturing method thereof
CN101271977A (en) Method of adjusting fuel distribution, membrane which adjusts fuel distribution, method of producing the same
Li et al. Microfabricated Fuel Cell with Composite Glass∕ Nafion Proton Exchange Membrane
JP2008010304A (en) Composite electrolyte membrane and fuel cell
Moore Microfabricated fuel cells to power integrated circuits
Xiao Monolithic integration of proton exchange membrane microfuel cells
Yeom et al. A silicon microfabricated direct formic acid fuel cell
Liu et al. Application of mems technology to micro direct methanol fuel cell
Yeom et al. A microscale vapor-fed formic acid fuel cell

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20080124

RD03 Notification of appointment of power of attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7423

Effective date: 20080327

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A821

Effective date: 20080327

A761 Written withdrawal of application

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A761

Effective date: 20100716